Научная работа: Совершенствование технологий и средств термической обработки сельскохозяйственного сырья и продукции в электромагнитном поле

В том случае, когда падающая на сферический объект, плоская монохроматическая электромагнитная волна имеет электрический вектор, поляризованный, например, параллельно координатной оси Y , её компоненты определяются в соответствии с выражениями:

, (2.9)

а соответствующая ей функция имеет разложение [171]:

(2.10)

Постоянные коэффициенты в выражениях (6)-(7) определяются из условий непрерывности тангенциальных компонент электрического и магнитного полей на границах .

Функцию целесообразно представить в виде

, (2.11)

В таком случае, электромагнитное поле вне сферы и поле внутри сферы для каждого слоя ( рисунок 2.1) описывается выражениями вида:

(2.12)

j = 1,2,3,…m,

где .

Коэффициенты A_n,l и B_n,l (l=1,2,…2m) однозначно определяются системами уравнений:

АХ = С, ВY = D, (2.13)

где

,

, ,

.

Формулы для определения значений ненулевых элементов векторов-столбцов C и D ранга 2m приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 -Значения коэффициентов С и D

Формулы для определения значений ненулевых элементов квадратных матриц A и B ранга 2m приведены в таблицах 2.2-2.3, где индекс S не может иметь значений менее 1 и более 2m.

При пользовании таблицами 2.2-2.3 следует иметь в виду, что не существует элементов определенных следующим образом:

1) j=1, P=2j-1=1, S=P-1=0;

2) j=1, P=2j=2, S=P-2=0;

3) j=m, P=2j-1=2m-1, S=P+2=2m+1;

4) j=m, P=2j=2m, S=P+1=2m+1.

Таблица 2.2 - Формулы для определения значений элементов квадратной матрицы А ранга 2m (р - номер cтроки, S - номер столбца)

Таблица 2.3 - Формулы для определения значений элементов квадратной матрицы В ранга 2m ( р - номер строки, S - номер столбца)

В общем случае определители матриц A и B не равны нулю, следовательно, решение системы уравнений (13) однозначно определяет неизвестные коэффициенты A_n,l и B_n,l (l = 1, 2, ….2m). Непосредственный анализ и отыскание коэффициентов можно осуществлять любыми известными в математике методами решения систем уравнений. Например, используя метод определителей [19 и др.], можно сразу определять значения коэффициентов и получать решение для j -го слоя не проводя общего решения задачи. Однако важно заметить, что, согласно расчетной схемы задачи (рис,1), общая напряженность электрического и магнитного полей в j-м слое будет определяться суммой напряженностей падающей и отраженной электромагнитных волн, т.е.

, j=1,2,…m-1. (2.14)

Отметим, что полученное решение полностью определяет значение комплексного вектора . В тоже время, на практике, интерес представляет не сам вектор, а значения напряженностей электрического и магнитного полей. В связи с этим, учитывая, что при электромагнитных возмущениях в диэлектрической среде доминирующими являются волны электрического типа - , то напряженности электрического и магнитного полей можно рассчитать исходя из соотношений (3) и (5):

(2.15)

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

3.1 Методические основы проведения экспериментальных исследований

Комплекс проводимых экспериментальных научно-исследовательских работ по оценке влияния электромагнитных полей на семена и зерно, в конечном счете должен способствовать разработке методов и технических средств, обеспечивающих получение высококачественного посевного материала и сохранность продукции при обработке семян в электромагнитном поле СВЧ.

Следует заметить, что , поскольку процессу СВЧ обработки семян и зерна присуще все многообразие взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами, для реализации СВЧ технологий в промышленном с.-х. производстве необходимо выделить основные факторы, которые с достаточной степенью достоверности можно учитывать в технологическом процессе.

Многообразие взаимосвязи физических процессов и внешних форм их проявления при СВЧ обработке семян охарактеризуем следующим: электромагнитное поле, характеризуемое биотропными параметрами (интенсивность потока СВЧ энергии, частота ЭМВ, напряженность ЭМП, модуляция, поляризация, экспозиция), оказывает электродинамическое и термическое воздействие на семена и зерно, которое внеше проявляется в биологическом (стимуляция, угнетение, изменение наследственных признаков) и физическом (нарушение оболочки, скорость СВЧ нагрева, конечная температура СВЧ нагрева) эффектах.

Количественно результат СВЧ воздействия во многом будет определяться значениями электро- и теплофизических параметров семян, которые в определенных пределах достаточно хорошо коррелируются с их исходной влажностью. Кроме того, следует учитывать также и тот факт, что биологическим объектам свойственны защитные реакции, в зависимости от величины пороговых и резонансных значений параметров ЭМП данного объекта, т.е. эффект может достигаться лишь при достжении определенных уровней параметров воздействия ЭМП СВЧ.

В связи с этим, для реализации СВЧ технологий предпосевной обработки, дезинфекции и дезинсекции семян необходимо проведение целого комплекса исследований, учитывающих параметры ЭМП СВЧ, исходные параметры семян перед обработкой, а также эффективность результирующего воздействия. Согласно структурной схеме исследований по изучению влияния ЭМП СВЧ на эффективность обработки семян необходимо установить взаимосвязь пежду параметрами ЭМП СВЧ, исходными параметрами семян и получаемым эффектом, чтобы оптимизировать полученные результаты и разработать наиболее простые, технологичные, легко управляемые и контролируемые процессы СВЧ обработки семян.

С технологических позиций целесообразно выделить два основных момента:

- взаимосвязь между параметрами ЭМП СВЧ, исходными параметрами семян и биологическими показателями эффективности СВЧ обработки семян - прямая связь;

- взаимосвязь между термическим проявлением параметров воздействия ЭМП СВЧ, исходных параметров семян и биологическими показателями эффективности СВЧ обработки, т.е. взаимосвязь между скоростью, конечной температурой СВЧ нагрева и биологическими показателями эффективности СВЧ обработки семян - косвенная связь.

Второй момент является важным еще и потому, что при наличии коррелированной взаимосвязи контроль режимов обработки достаточно просто может быть реализован по скорости и конечной температуре СВЧ нагрева семян.

Для получения достоверных результатов материал исследований (семена) должен быть тщательно отобран, необходимо определение биологических показателей (влажность, энергия роста, всхожесть, зараженность и др.) семян до обработки по соответствующим стандартам и методикам. Исследования необходимо проводить в тесном сотрудничестве с лабораториями биологических институтов по специализированному профилю. В процессе эксперимента контролируются и регистрируются исследуемые факторы воздействия и отклика, дается оценка погрешностей измерений. Результаты исследований должны подвергаться математической статистической обработке и оформляться в виде протоколов, актов испытаний и т.д.

Конечный результат комплекса проводимых исследований должен заключаться в следующем:

- подтверждение или отрицание теоретических предположений;

- разработка технологических режимов;

- разработка исходных требований к оборудованию;

- разработка методических рекомендаций по реализации технологий.

3.2 Экспериментальные исследования по оценке влияния нараметров ЭМП СВЧ на всхожесть семян при СВЧ обработке зерновых

Экспериментальные исследования по оценке воздействия микроволновой энергии на семенное зерно проводились на семенах пшеницы. В соответствии с технологическими ограничениями (влажность зерна после уборки и допустимая влажность зерна при закладке на хранение) диапазон исследований по влажности составил 8-10%.

Исследования показывают, что величина скорости СВЧ нагрева имеет существенное влияние на качество обработки семян. Причем, при СВЧ обработке семян не рекомендуется превышение скорости СВЧ нагрева более 0,5 ^оС/с. Поэтому несомненный интерес представляет изучение СВЧ облучения на посевные качества семян при скорости СВЧ нагрева 0,5 ^оС/с и выше. Теоретические исследования показывают, что скорость СВЧ нагрева в процессе СВЧ обработки не постоянна и имеет убывающий характер. Однако при оценке термического действия вполне целесообразно оперировать величиной средней за период обработки, скоростью нагрева, значение которой зависит от величины удельной поглощаемой СВЧ мощности, а также от электрофизических и теплофизических характеристик семян.

СВЧ обработка семян осуществлялась на установке непрерывного излучения с СВЧ мощностью 0,5 кВт и частотой излучения 2450±50 МГц (рисунок 3.1). Семена облучались в радиогерметичной рабочей камере. При этом потери СВЧ энергии в окружающее пространство исключались и, следовательно, основная часть СВЧ мощности поглощалась в семенах.

1 - блок управления; 2 - блок питания иагнетрона;3 - магнетрон; 4 - излучатель; 5 - объект облучения

Рисунок 3.1 - Структурная схема СВЧ установки

Ниже в таблице 3.1 приведены результаты по оценке удельной мощности СВЧ воздействия P_уд (кВт/кг) и скорости нагрева семян И (⁰С/с).

Таблица 3.1 - Результаты определения удельной мощности и скорости нагрева семян

Масса семян, кг, m_c

Экспоз., с, ф

Нач. темпер., ⁰С, t₀

Кон. темпер., ⁰С, t_k

Разн. темпер., ⁰С, Дt

Уд. Мощ-сть, кВт/кг, P_уд

Скор. Нагр., ⁰С/с, И

500

500

0

60

18

38

20

0,59

0,33

400

400

0

60

18

46

28

0,83

0,46

600

400

100

50

18

56

38

1,22

0,68

500

400

100

60

18

62

44

1,33

0,73

400

400

100

40

18

54

36

1,62

0,90

300

300

100

60

18

76

58

1,75

0,97

Экспериментальные исследования по влиянию СВЧ обработки на способность прорастания семян. В эксперименте исследовались семена пшеницы «Дар Черноземья» урожая 2012 года (влажность 10,25%)и «Прохоровка» урожая 2013 года (влажность 8,25%).

Обработка семян проводилась в лабораторных условиях. Образцы семян помещались в резонаторную камеру соединенную с СВЧ источником мощностью 0,5 кВт и частотой излучения 2450±50 МГц. Влажность семян составляла 10,25%. Обработка образцов проводилась в соответствии с планом Коно для 2-х факторного эксперимента [20]. Кодированные значения и интервал варьирования воздействующих факторов приведены в таблице 3.2.

При проведении исследований измерялась начальная и конечная температура зерна (использовался ртутный термометр ТЛ-2 ГОСТ215-73), а также фиксировалось время обработки (секундомер «Агат», погрешностью 0,2 с).

Количество точек плана эксперимента и значения воздействующих факторов приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.2 - Значения факторов

Таблица 3.3 - Параметры воздействия при обработке пшеницы