Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время большое значение придается увеличению производства хмеля - ценнейшей технической культуры и незаменимого растительного сырья для многих отраслей народного хозяйства и до сих пор не имеющего себе аналогов. Хмель возделывается в 25 странах мира, и его производство, непрерывно растет. По производству хмеля наша страна занимает 7 место в мире. Основным поставщиком этого ценнейшего сырья в России является Чувашская Республика, на долю которой приходится 84% валового сбора и более 50% всей площади, занятой этой культурой в Российской Федерации.
Хмель используется в пивоваренной, пищевой, фармацевтической, парфюмерной, лакокрасочной промышленности и в медицине. Ежегодная потребность хмеля только для производства пива составляет 5000 тонн при среднегодовом его производстве 3500 тонн. На закупку недостающего его количества за рубежом ежегодно затрачивается около 100 млрд. рублей. Поэтому, придавая большое значение производству хмеля, правительство Российской Федерации приняло Федеральную целевую программу "Хмель России" на 1996-2000 годы. В этой программе особое внимание уделяется послеуборочной обработке и переработке хмеля, повышению качества и выпуску конкурентоспособной продукции. Самым ответственным технологическим процессом послеуборочной обработки хмеля является сушка, нарушение которого приводит к такому ухудшению качества товарного хмеля, исправить которое невозможно.
В практике хмелеводства известны следующие способы искусственной сушки хмеля: сублимационный, обезвоженным воздухом, с помощью солнечных лучей, влажным воздухом, инфракрасными лучами, дымовыми газами, нагретым воздухом и другие. Наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом получили хмелесушилки, основанные на конвективном способе сушки. Сушка хмеля конвективный способом затруднительна, в связи с уменьшением влагопоглотитель-ной способности атмосферного воздуха в осенний период. При эток увеличивается продолжительность сушки и снижается качество, а также создаются благоприятные условия для развития микрофлоры к появления очагов плесени в хмеле, .споры которых сохраняются даже после сушки нагретым до 65 С воздухом.
Только от несовершенства хмелесушилок и нарушения технолога: сушки ежегодно от 13 до 55% первосортного хмеля переходит ВО:ВТО-
рой сорт и от 0,7 до 16Х - в третий сорт. Таким образом, в республике остро стоит проблема сушки хмеля и разработки технических средств для ее осуществления. Решить эту проблему можно только применением принципиально новой технологии. Такие технологии и технические средства можно создавать, используя энергию электромагнитного поля высокой частоты (ЭМПВЧ). Именно ЭМПВЧ, обладая такими специфическими свойствами, как генерирование тепла в каждой элементарной частице материала, избирательность нагрева и способность точного дозирования, расчленения на различные био-тропные параметры (интенсивность, градиент, вектор, частота, экспозиция) позволяет с высокой точностью управлять процессом сушки.
Несмотря на широкие возможности применения ЭМПВЧ во многих отраслях народного хозяйства с достаточной экономической эффективностью, этот способ не нашел пока широкого применения в сельскохозяйственном производстве. Это объясняется прежде всего отсутствием научно обоснованных принципов построения высокоэффективных технологий и универсальных высокочастотных установок сельскохозяйственного назначения. Поэтому научные исследования, направленные на разработку эффективных способов и технических средств, обеспечивающих интенсивную технологию сушки свежеубран-ного хмеля, актуальны и имеют большое народнохозяйственное значение. Решению этой проблемы и посвящена диссертация.
Исследования автора в указанном направлении были начаты в 1979 году. Они проводились в соответствии с планами НИР Челябинского государственного агроинженерного университета и Московского государственного агроинженерного университета им. В. П.Горячкина в рамках государственной программы комплексного развития хмелеводства на 1991-1995 годы и Федеральной целевой программы "Хмель России" на 1996-2000 годы.
Цель и задачи исследований. Разработка теоретических положений, методов и технических средств, обеспечивающих интенсивную технологию сушки свеяеубранного хмеля с использованием энергии электромагнитного поля высокой частоты, реализация результатов теоретических исследований в конструкциях хмелесушилки и доведение всего цикла работ до внедрения в производство. Для достижения этой цели поставлены следующие научные задачи:
- экспериментально определить электрофизические параметры шишек хмеля и математически описать их функциональные зависимости
от частоты электромагнитного поля, температуры и влажности;
изучить картины распределения электрического и температурного полей в шишке и массе хмеля при различных частотах и математически описать кинетику процессов нагрева и сушки хмеля в ЭМПВЧ, с учетом неоднородности шишки, неравномерности слоя хмеля и нелинейности параметров сушки;
разработать экспериментально-производственную- высокочастотную сушильную установку малой мощности, обеспечивающую эффективные технологические режимы сушки свежеубранного хмеля, на базе которой предложить конструктивно-технологическую схему производственной высокочастотной хмелесушилки;
определить эффективные энергетические параметры процесса сушки свежеубранного хмеля и разработать методику согласования, коррекции физико-технических и технологических параметров высокочастотной хмелесушилки;
провести лабораторно-производственные испытания высокочастотной установки для сушки свежеубранного хмеля, оценку экономической эффективности результатов исследования.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлено с позиции системного подхода, при этом использованы теории электромагнитного поля, электрических цепей, диэлектрических потерь, теплопроводности, методы физического и математического моделирования, биохимического анализа и математической статистики. Необходимые расчеты выполнены на ЭВМ. для этого разработано математическое и программное обеспечение.
Предмет исследования. Процесс влаговыделения из биообьекта (шишек хмеля) посредством воздействия на него электромагнитного поля (ЭМП) в диапазоне частот 5...40 МГц при сохранении качества товарной продукции.
.. Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных исследований получены частотные и температурные зависимости электрофизических параметров хмеля при различной влажности;, математические модели распределения электрического и температурного полей в шишке хмеля при различной влажности и частоты электромагнитного поля; аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь между энергетическими характеристиками ЭМП, электрофизическими параметрами хмеля и конструктивно-технологическими параметрами хмелесушилки, позволяющие выявить эффективные технологи-
ческие режимы и конструктивные размеры хмелесушилки.
Техническая новизна заключается в разработке высокоэффективного метода и технического устройства по сушке свежеубранного хмеля в электромагнитном поле высокой частоты, новизна и полезность которых подтверждена авторским свидетельством на изобретение N 1220605.
Достоверность основных выводов и теоретических положений обеспечивалась использованием в работе современной измерительной и вычислительной техники, подтвердилась экспериментальной проверкой в лабораторных условиях и эффективностью предложенной установки в производственных условиях, а также положительными результатами биохимических анализов образцов высушенного хмеля, проведенных в лаборатории биохимии Научно-исследовательского и проект-но-технологического института хмелеводства (г.цивильск).
Практическая ценность данной работы состоит в разработке:'
высокоэффективной технологии сушки свежеубранного хмеля в электромагнитном поле высокой частоты, обеспечивающей снижение потерь альфа-кислоты на 10. сокращение продолжительности сушки в 10 раз, уменьшение удельного расхода энергии на один килограмм испаряемой влаги в 2,6 раза по сравнению с существующими хмелесу-шилками;
оригинальной конструкции высокочастотной установки малой мощности и конструктивно-технологической схемы производственной хмелесушилки для сушки свежеубранного хмеля, отвечающей технологическим, экономическим и экологическим требованиям, создающей условия для широкой автоматизации технологического процесса;
методики согласования, коррекции физико-технических и технологических параметров высокочастотной хмелесушилки;
номограмм, позволяющих с достаточной точностью согласовывать и корректировать режимные параметры высокочастотной хмелесушилки;
методики проектирования высокочастотной хмелесушилки;
программного обеспечения для ЭВМ, реализующего системный подход при согласовании физико-технических и технологических параметров высокочастотной хмелесушилки.
Сведения о практическом использовании научных результатов. Разработанная технология высокочастотной сушки свежеубранного хмеля апробирована в совхозе "Родина" Козловского района в 1981
году, в совхозе им. 25 партсъезда Урмарского района в 1986 году и в учебно-производственном хозяйстве Цивильского сельскохозяйственного техникума Чувашской Республики (1980-1996 гг.). Проект-но-конструкторская документация на ВЧ-хмелесушилку производительностью 250 кг/ч по сырому хмелю передана экспериментальному заводу "Цивильскхмельмаш" (г.Цивильск). Экспериментально-производственная вч-установка для сушки свежеубранного хмеля используется по прямому назначению ежегодно во время уборочных работ, для сушки образцов шишек хмеля при проведении биохимических анализов, а также в качестве учебного оборудования в лаборатории электротехнологии Цивильского сельскохозяйственного техникума ЧР. На зашиту выносятся:
высокоэффективная экологически чистая, конкурентоспособная технология сушки свежеубранного хмеля в электромагнитном поле высокой частоты и конструктивно-технологическая схема высокочастотной хмелесушилки. обеспечивающая эффективные режимы сушки при сохранении качества товарного хмеля;
электрофизические параметры хмеля и математические модели их функциональной зависимости от частоты электромагнитного поля, температуры и влажности;
математические модели распределения электрического и температурного полей в шишке хмеля при различных частотах, позволяющие описать кинетику процессов нагрева и сушки хмеля, в ЭМПВЧ;
номограммы; методика согласования, коррекции физико-технических и технологических параметров высокочастотной хмелесушилки и методика ее проектирования.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях про-фессорско-преподаватеьского состава, научных работников и аспирантов ЧИМЭСХ (ЧГАУ) (г.Челябинск, 1981 - 1982 гг.); ЧСХИ (ЧГСХА) (г.Чебоксары, 1981 г.); во Всероссийской научно-производственной конференции "Гигиена, ветсанитария и экология животноводства" (г.Чебоксары, 1994 г.); на заседании технического совета Министерства сельского хозяйства и продовольствия Чувашской Республики (г.Чебоксары, 1994 г.). Диссертационная работа обсуждена и одобрена: на Ученом совете Научно-исследовательского и проектно-тех-нологического института хмелеводства (г.Цивильск. 1996 г.); научной конференции профессорско-преподавательского состава ЧГАУ
(г.Чебоксары. 1996 г.); объединенном заседании кафедр МГАУ (г.Москва. 1996 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 опубликованных работах, в том числе в описании к авторскому свидетельству на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из веде
ния, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.
Основное содержание диссертации изложено на 185 страницах машино
писного текста, включает 41 рис. и 8 таблиц, список литературы из
140 наименований, в том числе 3 на иностранных языках. Приложения
содержат таблицы, иллюстрации, справки и выписки из протоколов
заседаний, результаты экспериментальных исследований, программы
для расчетов на ЭВМ, математические расчеты, изложены на 96 стра
ницах. ,.,
