LABORATORYJNE URZDZENIE DO OBRÓBKI ZIARNISTYCH SUROWCÓW ROLINNYCH PROMIENIAMI PODCZERWONYMI. Dariusz Andrejko, Małgorzata Godziewska, Zbigniew Oszczak

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Technica Agraria 6(2) 2007, 9-14 LABORATORYJNE URZDZENIE DO OBRÓBKI ZIARNISTYCH SUROWCÓW ROLINNYCH PROMIENIAMI PODCZERWONYMI Dariusz Andrejko, Małgorzata Godziewska, Zbigniew Oszczak Akademia Rolnicza w Lublinie Streszczenie: W pracy przedstawiono analiz techniczn zaprojektowanego oraz wykonanego w Katedrze Inynierii i Maszyn Spoywczych laboratoryjnego urzdzenia do obróbki ziarnistych surowców rolinnych promieniami podczerwonymi. Opisano budow i zasad działania urzdzenia. Ponadto w pracy zaprezentowano schemat regulacji temperatury procesu oraz uzyskiwanych wartoci rozkładu temperatur na tamie przenonika. Słowa kluczowe: obróbka promieniami podczerwonymi, badania laboratoryjne WSTP Zastosowanie promienników podczerwieni jest bardzo szerokie, poczwszy od przemysłu spoywczego (suszenie i obróbka termiczna ywnoci [widerski 1999]), poprzez przemysł papierniczy (dosuszanie papieru), po ogrzewanie. W grzejnictwie radiacyjnym, ze wzgldu na właciwoci promieniowania IR jego widmo dzielimy na trzy zakresy: krótkofalowe 0,76 µm do 1,5 µm: najbardziej efektywne w grzejnictwie promiennikowym ze wzgldu na due energie kwantów promieniowania, redniofalowe 1,5 µm do 10 µm: równie wykorzystywane w grzejnictwie, długofalowe 10 µm. do 1000 µm: wykorzystywane do detekcji oraz sterowania. Laboratoryjna analiza procesów cigłej obróbki termicznej promieniami podczerwonymi dla sypkich surowców rolinnych wykonywana z zastosowaniem urzdze przemysłowych jest nieefektywna [Grochowicz 1996]. Badania prowadzone w urzdzeniach o wydajnoci kilku ton na godzin s trudne i pracochłonne, a przy koniecznoci zmian w nastawach regulacyjnych oraz dokonywaniu wielu powtórze pomiarów i procesów s take nieekonomiczne i mog by obarczane duymi błdami. Adres do korespondencji Corresponding author: Dariusz Andrejko, Akademia Rolnicza w Lublinie, Katedra Inynierii i Maszyn Spoywczych, ul. Dowiadczalna 44, Lublin, dariusz.andrejko@ar.lublin.pl

2 10 D. Andrejko, M. Godziewska, Z. Oszczak Std te zaprojektowano i wykonano stanowisko do obróbki termicznej promieniami podczerwonymi sypkich surowców rolinnych, którego schemat przedstawiono na rysunku 1. Zasada pracy urzdzenia Rys. 1. Laboratoryjne urzdzenie do obróbki termicznej promieniami podczerwonymi ziarnistych surowców rolinnych: 1 rama, 2 promienniki podczerwieni, 3 kosz zasypowy, 4 silnik prdu stałego, 5 moduł sterujcy, 6 tama przenonika, 7 rolki, 8 strefa ogrzewania, 9 regulacja ustawienia głowic Fig. 1. Laboratory device for infrared radiation treatment of grain plant stuffs: 1 frame, 2 infrared radiators, 3 feeding tank, 4 electric motor, 5 control unit, 6 transporter type, 7 rollers, 8 heating zone, 9 adjustment of heads position Surowiec zasypywany jest do kosza wyposaonego w zasuw umoliwiajca regulacj gruboci warstwy surowców podawanych na tam przenonika. Nastpnie surowiec przesuwa si do strefy ogrzewania, gdzie poddawany jest działaniu promieniowania podczerwonego. Obrobiony termicznie surowiec moe by kierowany do chłodnicy lub dalszej obróbki. Charakterystyka techniczna Przenonik tamowy zasilany jest przez silnik prdu stałego wyposaony w regulator napicia umoliwiajcy płynn regulacj prdkoci przesuwu tamy w granicach od do m s -1 (czas przebywania nasion w strefie ogrzewania wynosi odpowiednio od 15 do 200 s). Zastosowana w przenoniku tama transportowa charakteryzuje si du odpornoci na działanie wysokich temperatur (do 250 C) i niewielk przepuszczalnoci promieni podczerwonych (transmisja promieni podczerwonych przez tam wynosi ok. 10%). Urzdzenie wyposaono w dwie głowice grzejne (w kadej zainstalowano po 4 promienniki ceramiczne płaszczyznowe o mocy 400 W); górn umieszczon nad tam przenonika i doln znajdujc si pod tam. Do obróbki Acta Sci. Pol.

3 Laboratoryjne urzdzenie do obróbki ziarnistych surowców rolinnych termicznej nasion drobnych wystarczajce jest wykorzystanie tylko górnej głowicy grzejnej. W trakcie ogrzewania nasion duych, np. łubinu białego, wskazane jest włczenie dolnej głowicy grzejnej. W tym przypadku naley zamieni tam przenonika na siatk wykonan z drutu miedzianego o rednicy = 0,1 mm, o oczkach kwadratowych o boku a = 1 mm. Przez tak siatk przechodzi ponad 90% promieni podczerwonych. W zalenoci od czasu obróbki i rodzaju surowca, wydajno urzdzenia mona regulowa w szerokim zakresie. Dla nasion soi (przyjmujc, e masa 1 m 2 pojedynczej warstwy nasion wynosi ok. 4 kg) wydajno ta wynosi od 4,5 kg h -1 (czas obróbki 200 s) do 60 kg h -1 (czas obróbki 15 s). Schemat regulacji temperatury procesu Jednym z najwaniejszych parametrów obróbki podczerwieni surowców rolinnych jest temperatura panujca na powierzchni tamy przenonika, a co za tym idzie temperatura wewntrz ogrzewanego materiału [Andrejko 2005, Andrejko i Grochowicz 2001, Andrejko i Rydzak 2000]. Zakres zmiennoci temperatury (od 80 C do 250 C) musi by odpowiednio dobrany w zalenoci od odmiany obrobionego surowca, jego wła- ciwoci fizycznych i chemicznych. Std te, wykonane urzdzenie wyposaono w elektroniczny układ sterujcy temperatur na powierzchni tamy przenonika (rys. 2). W skład zestawu wchodz: zadajnik temperatury, regulator temperatury połczony z termopar, sterownik i łcznik tyrystorowy. K U=(Uw-U r) Regulator temperatury Zadajnik temperatury Sterownik Ur Łcznik tyrystorowy Termopara Promienniki N Rys. 2. Schemat układu regulacji temperatury Fig. 2. Temperature control system scheme Technica Agraria 6(2) 2007

4 12 D. Andrejko, M. Godziewska, Z. Oszczak Układ ten działa nastpujco: siła termoelektryczna termopary umieszczonej na powierzchni tamy przenonika jest dostarczana do wejcia regulatora, jednoczenie z zadajnika przekazywana jest informacja o chwilowej wartoci programowanego napicia odniesienia. Rónica obu wyej wymienionych sygnałów wzmocniona i przetworzona czstotliwociowo przez filtr PID regulatora jest przesyłana do sterownika, który poprzez łcznik tyrystorowy steruje moc wydzielan przez zainstalowane promienniki. Maksymalna temperatura obróbki uzaleniona jest od odległoci promienników od tamy przenonika oraz mocy włczonych grzałek w głowicy grzejnej i mieci si w przedziale od Tot do Tmax 1,2,3,...,n, gdzie: Tot temperatura otoczenia, Tmax 1,2,3,..., n maksymalna temperatura panujca na tamie przenonika przy poło- eniu głowicy grzejnej w punktach 1,2,3,..., n. Wyznaczenie maksymalnych temperatur panujcych na tamie przenonika w zalenoci od odległoci głowic grzejnych Obie głowice grzejne wyposaono w płynn regulacj odległoci od tamy w zakresie od 40 do 200 mm (odległo powierzchni promienników od tamy). Ma to zasadnicze znaczenie przy ustalaniu temperatury obróbki. W zalenoci od iloci włczonych promienników, jak te ich połoenia, temperatury panujce na powierzchni tamy przenonika s róne, co przedstawiono na rysunku ogrzewanie jednostronne ogrzewanie dwustronne 150 T max [ o C] h [mm] Rys. 3. Wartoci maksymalnych temperatur (T) na powierzchni tamy przenonika w zalenoci od odległoci ustawienia głowic grzewczych (h) Fig. 3. Values of maximum temperature (T) on the transporter tape surface depended of heating heads distance arrangement (h) W trakcie procesu prowadzonego z wykorzystaniem jednej (górnej) głowicy grzejnej temperatury odczytane na powierzchni tamy, w zalenoci od wysokoci ustawienia głowicy, kształtowały si w granicach od 80 C (odległo od tamy 120 mm) do 160 C (odległo od tamy 40 mm). Włczenie drugiej głowicy spowodowało znaczne podniesienie wartoci temperatur panujcych na tamie. Przy ustawieniu obu głowic w odległoci 120 mm od tamy temperatura wzrosła do 138 C, dalsze przyblianie Acta Sci. Pol.

5 Laboratoryjne urzdzenie do obróbki ziarnistych surowców rolinnych głowic powodowało wzrost temperatur, a do 205 C (odległo od tamy wynosiła 80 mm). Najwysze temperatury odczytywano przy najmniejszych odległociach głowic od tamy, tj. 40 i 60 mm Tmax > 250 C (po osigniciu 250 C, z uwagi na podan przez producenta wytrzymało termiczn tamy, proces przerwano). Istotnym czynnikiem w trakcie obróbki termicznej surowców rolinnych jest równomierno ich wygrzania. Zainstalowane promienniki oraz kształt osłony głowicy grzejnej gwarantuj równomierno temperatur na ogrzewanej powierzchni. Przykładowy rozkład temperatur panujcych na ogrzewanej powierzchni tamy przenonika przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Rozkład temperatur na długoci tamy przenonika (pomiar prowadzono na długoci 1 m zgodnie z długoci głowic grzejnych). Tam ogrzewano od góry i od dołu, odległo głowic od tamy wynosiła 80 mm) Fig. 4. Temperature distribution on the transporter tape length (measurements are made for 1 m length of tape according to length of infrared radiators). The tape was heated from both sides up and down, distance of heating heads was 80 mm far from tape Niemal w całym obszarze oddziaływania promieni podczerwonych wartoci mierzonych temperatur kształtowały si na poziomie ok. 200 C. Tylko na pocztku i kocu (ok. 100 mm z kadej strony) strefy ogrzewania temperatury były nieco nisze (ok. 190 C). PODSUMOWANIE Wykonane urzdzenie po pomylnym przejciu prób eksploatacyjnych zostało wykorzystane do obróbki termicznej ziarnistych surowców rolinnych. Badaniom poddano m.in. nasiona soi, grochu i ziarna zbó. Uzyskane efekty s bardzo obiecujce i zostan opublikowane w niedalekiej przyszłoci. Na podstawie dotychczas przeprowadzonych bada naley stwierdzi, e zaprezentowane w pracy urzdzenie moe posłuy jako szybki tester do analizy procesu ogrzewania ziarnistych surowców rolinnych promieniami podczerwonymi. Opisane urzdzenia zostało zgłoszone jako wniosek patentowy do Urzdu Patentowego RP. PIMIENNICTWO Andrejko D., Zmiany właciwoci fizycznych nasion soi pod wpływem promieniowania podczerwonego. Rozpr. Nauk. AR w Lublinie, z Technica Agraria 6(2) 2007

6 14 D. Andrejko, M. Godziewska, Z. Oszczak Andrejko D., Grochowicz J., Zmiany wytrzymałoci ziaren yta spowodowane oddziaływaniem promieniowania podczerwonego. Probl. In. Roln. 2(32), Andrejko D., Rydzak L., Wpływ procesu mikronizacji na właciwoci fizyczne nasion rolin strczkowych. In. Roln. 5(16), Grochowicz J., Technologia produkcji mieszanek paszowych. PWRiL, Warszawa. widerski F. (red.), ywno wygodna i ywno funkcjonalna. Praca zb. WNT, Warszawa. LABORATORY DEVICE FOR INFRARED RADIATION OF GRAIN PLANT STUFFS TREATMENT Abstract. In this paper was presented the technical analysis of laboratory device for infrared radiation of grain plant stuffs treatment. The device was designed and manufactured in Department of Food Process Engineering and Machines. It was described the device construction and operation principles. Furthermore, in this paper was presented scheme of temperature control and value of available temperature distribution which was obtained on the transporter tape. Key words: infrared radiation treatment, laboratory tests Zaakceptowano do druku Accepted for print: Acta Sci. Pol.