Контроль температуры зерна в СВЧ камере

Движущими элементами процесса сушки СВЧ активированного зерна являются разность температур центра и поверхности зерновки, , и давление паров жидкости в зерновке, Р. Требуется экспериментальное и теоретическое описание подтверждение распределения температуры внутри зерновки . Проблема заключается в том, что измерение температуры материала должно проводиться под действием СВЧ поля. Ранее [1, 2] для этих целей использовали керосиновые термометры, которые могли работать в СВЧ поле с достаточной точностью. Однако их невозможно использовать для измерения температуры внутри зерновки, кроме того они инерционны. При проведении различных исследований по СВЧ обработке и сушке зерна [3, 4, 5] измерение температуры материала проводили при помощи термопар, но погружали их в продукт после прекращения действия СВЧ поля. Проведенные аналитические расчеты показывают, что время нарастания температуры внутри зерновки составляет не более 20…60 секунд. Время выравнивания температуры внутри зерновки с температурой агента сушки после прекращения действия СВЧ, в зависимости от влажности зерна может колебаться от 5 до десятков минут. При такой динамике нагрева и охлаждения особенно важными бывают и начальные моменты процесса. Процедура же ввода термопар в исследуемый слой после прекращения действия СВЧ излучения не позволяет зафиксировать динамику нагрева зернового слоя и единой зерновки и дает значительные погрешности в измерениях остывания зернового слоя. Кроме того, практически невозможно измерить разность температур центра и поверхности зерновки .

Следует отметить, что упомянутые методы измерений температуры обрабатываемого продукта при СВЧ воздействии практиковались в частично заполненных СВЧ зонах (в установках резонаторного типа). В этом случае объем зерна занимал меньшую часть СВЧ камеры. Поэтому помещение металлических термопар в зону действия СВЧ приводило к их перегоранию.

Был поставлен эксперимент с целью:

• установить возможность использовать термопары К-типа в СВЧ поле (в полностью загруженной продуктом активной зоне), для измерения температуры зерна;

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

Для его проведения использовалась лабораторная установка, включающая в себя активную зону, блок питания, тепловентиляционный блок с воздуховодами, модули подключения термопар, ПК.

Общий вид установки приведен на рисунке 1.

Используемое оборудование: АС4 – автоматический преобразователь интерфейсов; МВА-8 – модули ввода; термопары К-типа; настольный ПК; Center-310 - портативный прибор контроля относительной влажности и температуры воздуха использовали; ТКА-ПКМ - портативный прибор контроля скорости воздуха.

Рис. 1. Общий вид лабораторной установки

1 – ПК; 2 – вентилятор; 3 – блок ТЭНРов; 4 – СВЧ зона; 5 – преобразователь частоты;
6 блок питания магнетрона; 7 – устройства ввода.

Контроль температуры проводили на поверхности и в центре зерновки. Для этого в центре зерновки проделывали углубление, соответствующее диаметру термопары и встраивали ее внутрь. Внешний вид термопар, встроенных в зерновку пшеницы приведен на рисунке 2.

В активную зону на расстоянии 2 см от магнетрона устанавливали фторопластовую пластину. Между фторопластом и магнетроном помещали полиэтиленовый пакет, в который наливали воду. Таким образом, магнетрон работал на нагрузку, которой являлся слой воды, а ослабленное СВЧ поле попадало в активную зону. Непосредственно за фторопластовой пластиной располагали зерновку с встроенной вовнутрь термопарой. На поверхности зерновки казеиновым клеем закрепляли вторую термопару. Третья термопара располагалась рядом с зерновкой и должна была разогреваться под действием СВЧ излучения.

Рис. 2. Зерновка нута с термопарами

1 – зерновка нута; 2 – термопара в центре зерновки; 3 – термопара в зоне сушки;
4 – термопара на поверхности зерновки

Сверху активную зону плотно закрывали защитным экраном. Изменение температуры контролировали на экране монитора ПК. Одновременно велась запись в файл всех результатов измерений.

Показания температуры нагрева зерна в этих точках снимались синхронно в течение 30 секунд работы магнетрона.

Результаты исследований представлены в виде графиков. На рисунке 3 показаны графики изменения температуры в центре и на поверхности зерновки пшеницы влажностью 14% помещенной в СВЧ поле в соответствии с методикой изложенной выше.

Максимальная температура нагрева центра зерновки составила 34,5°С (=11,2°С), поверхности 33°С (=9,7°С). Максимальный нагрев самой термопары свободно расположенной в камере СВЧ, по отношению к начальной температуре, составил 2,5°С. Разность графиков и приведена на рисунке 4. Из рисунков видно, что имеется влияние разогрева термопары на измерения температуры в центре и на поверхности зерновки. Данное влияние не сказывается на динамике нагрева и охлаждения зерновки. Особенно наглядно это на скорости изменения температур после прекращения действия СВЧ поля. Скорость изменения температуры «чистой» термопары значительно ниже скорости изменения в центре и на поверхности зерновки. Аналогичный эксперимент проделывался и с зерновкой различных влажностей.

Рис. 3. Графики изменения температуры в центре и на поверхности зерновки пшеницы при СВЧ-воздействии для W_з=14%

Рис. 4. Разность графиков и для W_з=14%

Анализируя результаты эксперимента, можно сделать следующие выводы:

• допустимо использовать тонкие термопары К-типа для измерения 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 косвенные данные об изменении влажности и диэлектрической проницаемости частей зерновок.

Литература:

1. Лыков, А.В. Исследование процесса сушки в поле высокой частоты [Текст] / А.В. Лыков, Г.А. Максимов // Тепло-и массообмен в капиллярно-пористых телах. – Л., М.: Госэнергоиздат, 1957. – С. 133-142.

2. Максимов, Г.А. Исследование процессов тепло- и массообмена при внутреннем источнике [Текст]: автореф. дис. д-ра техн. наук / Г.А.. Максимов; МТИПП. – М., 1956. – 35 с.

3. Вендин, С.В. Обработка семян электромагнитным полем [Текст]:
   дис. ...докт. техн. наук: 05.20.02 / С.В.Вендин. – Москва, 1994. – 463 с.

4. Бабенко, А.А. Распространение электромагнитного импульса при СВЧ обработке [Текст] / А.А. Бабенко, С.В. Вендин // Моделирование и автоматизация технологических процессов сельскохозяйственного производства: сб. науч. тр. / МИИСП имени В.П. Горячкина.– М.: 1992. – С. 105-109.

5. Пахомов, В.И. Оптимизация тепловой обработки фуражного зерна СВЧ-энергией [Текст] / В.И. Пахомов, В.Д. Каун // Мех. и электр. с.-х. – 2000. – № 9. – С. 8-10.