Інтенсифікація процесів тепломасопереносу в рослинних матеріалах при дії мікрохвильового електромагнітного поля
Вантажиться...
Дата
2015
Автори
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
ОНАХТ
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика.
У дисертаційній роботі на підставі експериментальних та теоретичних досліджень ефектів дії мікрохвильового електромагнітного поля на рослинні матеріали різних видів (зерно, стебла та інші частини рослин) визначені умови, за якими у рамках кожного з досліджуваних методів, заснованих на застосуванні мікрохвильової енергії (біостимуляція, термообробка, екстрагування, сушіння) очікується максимальний позитивний ефект, що полягає в інтенсифікації процесів переносу теплоти та маси. Проведений широкомасштабний аналіз впливу різних факторів (вид рослинного матеріалу, потужність мікрохвильового джерела, експозиція, маса й форма матеріалу, що завантажується, початковий вологовміст та ін.) на якісні характеристики кінцевого матеріалу та питомі витрати енергії. Встановлено, що інтенсифікація процесів переносу в умовах дії мікрохвильового поля визначається особливостями будови рослинної тканини та темпом нагрівання. Проведені дослідження кінетики сушіння зернових культур при мікрохвильовому (безперервному та пульсуючому), конвективному і мікрохвильово-конвективному (циклічному та одночасному) підводі енергії та різних режимах привели до висновку, що оптимальним є одночасний МХ-конвективный спосіб підведення енергії, при якому досягаються максимальна швидкість сушіння, мінімальні питомі витрати енергії і температура матеріалу не перевищує припустиму. Обгрунтовано застосування рівнянь параболічного типу для опису явищ теплопровідності в умовах мікрохвильового нагрівання, що в першу чергу пов'язано з відносно низькою інтенсивністю нагрівання рослинного матеріалу. На підставі аналізу та узагальнення експериментальних даних, проведення варіативних розрахунків по розробленим аналітичним моделям нагрівання та сушіння рослинних матеріалів, сконструйовані установки для мікрохвильово-конвективного сушіння зерна у щільному рухомому шарі, мікрохвильовій термообробці рослинного субстрату та біостимуляції насіння в мікрохвильовому полі.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. В диссертационной работе на основании экспериментальных данных, полученных при исследовании растительных материалов различных видов (зерно, стебли и другие части растений) определены условия, при которых в рамках каждой из разрабатываемой технологий (биостимуляция, термообработка, экстрагирование, сушка) ожидается максимальный положительный эффект, заключающийся в интенсификации переноса теплоты и массы под действием микроволнового электромагнитного поля с учетом требований к качеству конечной продукции. Разработан комплексный подход к оценке явлений, вызываемых в материалах растительного происхождения при воздействии микроволнового электромагнитного поля, в основе которого лежат: анализ тепловых эффектов взаимодействия микроволнового поля с полярными диэлектриками, формирование представлений об особенностях нагрева в микроволновом поле с учетом строения клеток и проводящей системы растений, обобщение данных экспериментальных исследований и получение моделей, учитывающих качественное развитие связей процессов переноса со структурными изменениями и физическими параметрами. Проведен широкомасштабный анализ влияния различных факторов (вид растительного материала, мощность микроволнового источника, экспозиция, масса и форма загружаемого материала, начальное влагосодержание, плотность) на качественные характеристики конечного материала и удельные затраты энергии. Установлено, что в режиме биостимуляции семян усиливается транслокация питательных веществ, что объясняется увеличением проводимости благодаря развитию больших градиентов давления в замкнутых микрообъемах растительной ткани на стадии нагрева при допустимом расширении клеточного объема. При обработке растительного материала с целью экстрагирования или температурного воздействия с целью изменения его питательных свойств, а также дезинфекции, разрушение клеточных стенок и локальное разрушение целлюлозных волокон приводит к интенсификации процессов переноса. Проведенные исследования кинетики сушки зерновых культур при микроволновом (непрерывном и пульсирующем), конвективном и микроволново-конвективном (циклическом, одновременном) подводе энергии и различных режимах (мощностях магнетронов, длительности подвода энергии и пауз, скоростях и температурах сушильного агента) привели к заключению, что оптимальным является одновременный МВ- конвективный способ подвода энергии, при котором достигаются максимальная скорость сушки, минимальные удельные затраты энергии и температура материала не превышает допустимую. Изменение безразмерного среднеинтегрального влагосодержания в процессах сушки при всех исследованных способах и режимах подвода энергии описываются единым обобщенным уравнением, что свидетельствует об идентичности закономерностей кинетики сушки. Для получения расчетных данных по температуре материала составлены новые и исследованы существующие математические модели теплопереноса при наличии внутренних источников теплоты, положительном, определяемым микроволновым полем, и отрицательным, связанным с испарением влаги. Обосновано применение уравнений параболического типа для описания явлений теплопроводности в условиях микроволнового нагрева, что в первую очередь связано с относительно низкой интенсивностью нагрева. На основании анализа и обобщения экспериментальных данных, результатов вычислительных экспериментов, проведенных по разработанным математическим моделям нагрева растительных материалов и сушки зерновых, сконструированы установки для микроволново-конвективной сушки зерна в плотном движущемся слое, микроволновой термообработке растительного субстрата и биостимуляции семян в микроволновом поле.
Dissertation for the Doctor of Science (Engineering) degree, specialty 05.14.06 - Engineering Thermophysics and Industrial Heat-and-Power Engineering. In the thesis the conditions have been determined on the basis of experimental and theoretical data on effects of microwave fields on plant materials of different kind (com, stem, and other parts of a plant) at which within the framework of each of the investigated methods (biostimulation, thermal processing, extraction, drying) a maximum positive effect is expected in terms of intensification of the heat and mass transfer. Statements on the peculiarities of heating in microwave fields have been formulated with respect to cell structure and plant transport system, experimental data have been generalized and models have been elaborated that take into account connections of transfer processes with structural changes of materials and physical parameters of the system. Analysis of the influence of different factors (kind of plant material, power output of a microwave source, exposition, mass and form of loaded material, initial water content, and density) on the quality of end products and specific energy inputs has been carried out. It has been determined that at the biostimulation of seeds regimes the translocation of feeding substances is strengthened as a consequence of improvement of transport properties. Investigations of the drying kinetics carried out in the thesis have led to a conclusion that the simultaneous microwave-convection regime of energy input provides the optimum conditions. Application of parabolic type differential equations for mathematical description of thermal conductivity at microwave heating conditions has been grounded. Recommendations for selection of regime parameters for microwave treatment of materials at which the transfer processes are intensified and the energy efficiency is increased have been obtained. The results have been applied for development and design of industrial units for microwave-convection drying of com in a dense moving bed, microwave thermal treatment of plant substrates and for microwave biostimulation of seeds.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. В диссертационной работе на основании экспериментальных данных, полученных при исследовании растительных материалов различных видов (зерно, стебли и другие части растений) определены условия, при которых в рамках каждой из разрабатываемой технологий (биостимуляция, термообработка, экстрагирование, сушка) ожидается максимальный положительный эффект, заключающийся в интенсификации переноса теплоты и массы под действием микроволнового электромагнитного поля с учетом требований к качеству конечной продукции. Разработан комплексный подход к оценке явлений, вызываемых в материалах растительного происхождения при воздействии микроволнового электромагнитного поля, в основе которого лежат: анализ тепловых эффектов взаимодействия микроволнового поля с полярными диэлектриками, формирование представлений об особенностях нагрева в микроволновом поле с учетом строения клеток и проводящей системы растений, обобщение данных экспериментальных исследований и получение моделей, учитывающих качественное развитие связей процессов переноса со структурными изменениями и физическими параметрами. Проведен широкомасштабный анализ влияния различных факторов (вид растительного материала, мощность микроволнового источника, экспозиция, масса и форма загружаемого материала, начальное влагосодержание, плотность) на качественные характеристики конечного материала и удельные затраты энергии. Установлено, что в режиме биостимуляции семян усиливается транслокация питательных веществ, что объясняется увеличением проводимости благодаря развитию больших градиентов давления в замкнутых микрообъемах растительной ткани на стадии нагрева при допустимом расширении клеточного объема. При обработке растительного материала с целью экстрагирования или температурного воздействия с целью изменения его питательных свойств, а также дезинфекции, разрушение клеточных стенок и локальное разрушение целлюлозных волокон приводит к интенсификации процессов переноса. Проведенные исследования кинетики сушки зерновых культур при микроволновом (непрерывном и пульсирующем), конвективном и микроволново-конвективном (циклическом, одновременном) подводе энергии и различных режимах (мощностях магнетронов, длительности подвода энергии и пауз, скоростях и температурах сушильного агента) привели к заключению, что оптимальным является одновременный МВ- конвективный способ подвода энергии, при котором достигаются максимальная скорость сушки, минимальные удельные затраты энергии и температура материала не превышает допустимую. Изменение безразмерного среднеинтегрального влагосодержания в процессах сушки при всех исследованных способах и режимах подвода энергии описываются единым обобщенным уравнением, что свидетельствует об идентичности закономерностей кинетики сушки. Для получения расчетных данных по температуре материала составлены новые и исследованы существующие математические модели теплопереноса при наличии внутренних источников теплоты, положительном, определяемым микроволновым полем, и отрицательным, связанным с испарением влаги. Обосновано применение уравнений параболического типа для описания явлений теплопроводности в условиях микроволнового нагрева, что в первую очередь связано с относительно низкой интенсивностью нагрева. На основании анализа и обобщения экспериментальных данных, результатов вычислительных экспериментов, проведенных по разработанным математическим моделям нагрева растительных материалов и сушки зерновых, сконструированы установки для микроволново-конвективной сушки зерна в плотном движущемся слое, микроволновой термообработке растительного субстрата и биостимуляции семян в микроволновом поле.
Dissertation for the Doctor of Science (Engineering) degree, specialty 05.14.06 - Engineering Thermophysics and Industrial Heat-and-Power Engineering. In the thesis the conditions have been determined on the basis of experimental and theoretical data on effects of microwave fields on plant materials of different kind (com, stem, and other parts of a plant) at which within the framework of each of the investigated methods (biostimulation, thermal processing, extraction, drying) a maximum positive effect is expected in terms of intensification of the heat and mass transfer. Statements on the peculiarities of heating in microwave fields have been formulated with respect to cell structure and plant transport system, experimental data have been generalized and models have been elaborated that take into account connections of transfer processes with structural changes of materials and physical parameters of the system. Analysis of the influence of different factors (kind of plant material, power output of a microwave source, exposition, mass and form of loaded material, initial water content, and density) on the quality of end products and specific energy inputs has been carried out. It has been determined that at the biostimulation of seeds regimes the translocation of feeding substances is strengthened as a consequence of improvement of transport properties. Investigations of the drying kinetics carried out in the thesis have led to a conclusion that the simultaneous microwave-convection regime of energy input provides the optimum conditions. Application of parabolic type differential equations for mathematical description of thermal conductivity at microwave heating conditions has been grounded. Recommendations for selection of regime parameters for microwave treatment of materials at which the transfer processes are intensified and the energy efficiency is increased have been obtained. The results have been applied for development and design of industrial units for microwave-convection drying of com in a dense moving bed, microwave thermal treatment of plant substrates and for microwave biostimulation of seeds.
Опис
Бошкова, І. Л.
Інтенсифікація процесів тепломасопереносу в рослинних матеріалах при дії мікрохвильового електромагнітного поля [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : спец. 05.14.06 "Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика" / Бошкова Ірина Леонідівна ; Одес. нац. акад. харч. технологій. – Одеса : ОНАХТ, 2015. – 45 с. : табл., рис.
Ключові слова
мікрохвильове електромагнітне поле, інтенсифікація, математична модель теплопереносу, внутрішні джерела теплоти, питома потужність, біостимуляція, сушіння, екстрагування, рослинна тканина, мікрохвильові установки, микроволновое поле, интенсификация, математическая модель теплопереноса, внутренние источники теплоты, удельная мощность, сушка, нагрев, экстрагирование, растительная ткань, микроволновые установки, microwave field, intensification, mathematical model of heat transfer, internal heat sources, specific power, heating, drying, extraction, plant tissue, microwave units