Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ресурсосберегающие методы управления ИК-энергоподводом в процессах производства оздоровительного чая

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Худоногов Игорь Анатольевич

Красноярск - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Куликова Лилия Васильевна

доктор технических наук, профессор Пантелеев Василий Иванович

доктор технических наук, профессор Багаев Андрей Алексеевич

Ведущая организация: Сибирский институт механизации и электрификации сельского хозяйства СО РАСХН

Защита диссертации состоится 05 июня 2009 г. в 9⁰⁰ на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90, КрасГАУ (тел./факс: (8-391) 227-36-09).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Красноярский государственный аграрный университет".

Автореферат разослан 2009 г.

Автореферат размещен 04 марта 2009 г. на сайте www.kgau.ru

Учёный секретарь диссертационного совета Бастрон А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В ежегодном послании президента Российской Федерации к Федеральному собранию были приведены статистические данные о состоянии здоровья широких кругов населения. Ежегодно убыль населения по России составляет более 700 000 человек.

В рамках национального проекта «Здоровье» в части профилактики и лечения заболеваний, которые дают высокий процент смертности среди населения, была предложена долгосрочная программа по оздоровлению широких кругов населения путем применения комплексной социально-медицинской программы. По материалам этой программы Министерством здравоохранения и социального развития был обоснован новый научно-методический подход к моделированию параметров здоровья широких кругов населения. Он основан на принципе культивирования здорового образа жизни с привлечением средств управления качеством состояния здоровья. В качестве таких средств можно применять природные целебные средства - оздоровительные чаи разного спектра действия. В настоящее время в развитых странах Америки, Европы и Азии около 80 % населения отдают предпочтение оздоровительным чаям. Тенденция эта наблюдается и в России.

Для организации производства оздоровительного чая из дикорастущих и культивируемых лекарственных растений в России имеются значительные ресурсы. 79 % территории Иркутской области покрыто лесами, в которых произрастает более 500 видов лекарственных растений. Многие лекарственные растения культивируются и могут культивироваться на территории области. Из них более 160 видов можно использовать для получения оздоровительного чая. Иркутская область является одним из крупнейших производителей электроэнергии, 2/3 которой вырабатывается на гидроэлектростанциях, относящихся к возобновляемым и дешевым источникам энергии. Аналогичное положение наблюдается как с ресурсами лекарственных растений, так и с электроэнергетическими ресурсами в других регионах России.

В настоящее время в процессах термообработки лекарственных растений используются ресурсоистощающие методы и средства. Технология переработки дикорастущих и культивируемых растений базируется в основном на ручном труде, с использованием для большинства технологических операций естественных источников энергии (сушка на солнце, сушка в тени, под навесами и т.п.) и применении искусственного нагрева - с помощью пламенных сушилок, теплиц, русских печей. Основные теплофизические операции, такие как завяливание, ферментация, сушка и обжаривание в технологии переработки лекарственных растений проводятся при помощи специальных энергетических установок, работающих в основном на принципе сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива. Естественная сушка в тени и пламенная техника имеет ряд существенных недостатков - температурный режим получается нестабильным, тем более трудно его регулировать, поэтому готовый продукт характеризуется низким качеством и плохим товарным видом. Выход активно действующих веществ в лекарственном сырье после естественной сушки не превышает 3-5 %, а иногда составляет 0 % (например, выход йода в медунице).

В этой связи для получения необходимого количества активно действующих веществ, исчисляемых сотыми или десятыми долями процента, потребуется собрать и переработать большее количество лекарственного сырья, что может привести к истощению ресурсов лекарственных растений.

Ежегодно в Иркутской области производится 50-60 млрд кВтч электроэнергии, вырабатываемой в основном на гидроэлектростанциях ангарского каскада. Перспективным направлением развития производства электроэнергии в Иркутской области является использование энергии малых рек, солнца, ветра, теплоты земли, биомассы и других нетрадиционных источников энергии.

Анализ принципов, методов, способов и средств для процессов термообработки лекарственных растений показывает, что наиболее эффективными из них являются те, которые базируются на использовании электрической энергии, превращенной в энергию электромагнитного излучения. Причём теория и практика по использованию электромагнитного поля в процессах обработки и переработки дикорастущих и культивируемых растений указывает на более высокую эффективность инфракрасного (ИК) излучения. В диссертации выполнен комплекс работ по применению энергии ИК-излучения в процессах обработки и переработки лекарственных растений в оздоровительный чай. Это связано с тем, что технические средства, работающие на принципе преобразования электрической энергии в энергию ИК-излучения, предназначенную для процессов термообработки культивируемых и дикорастущих растений просты, надежны, экономичны и, как правило, являются экологически чистыми. ИК-излучение активно поглощает воду, содержащуюся в продукте, но не поглощается тканью продукта, поэтому влагоудаление возможно при температуре 40-70 С, что позволяет полностью сохранить биологически активные вещества, естественный цвет и аромат.

Серийно выпускаемые в последнее время в Донецке и Санкт-Петербурге ИК-сушильные установки «Суховей» и «Вихрь» подтверждают эффективность использования ИК-излучения для сушки корнеплодов, овощей и фруктов. Однако возможность использования этих установок для термообработки дикорастущих и культивируемых лекарственных растений с целью получения чая с оптимальным составом активнодействующих веществ не рассматривается. Недостатком установок является отсутствие теории и систем управления дискретным ИК-энергоподводом.

Сложившаяся экономическая ситуация в стране, переход к рыночной экономике, ведет к росту стоимости энергоресурсов, в связи с чем наблюдается постоянная тенденция к повышению тарифов на энергоресурсы, что создает предпосылки для внедрения энергосберегающих электротехнологий. Эффективность электротехнических средств ИК-облучения обусловлена применением новых, научно обоснованных методов и средств управления энергоподводом. В связи с изложенным получение продукта с оптимальным составом действующих веществ при минимальном расходе энергии является важной научной проблемой сельскохозяйственной энергетики, решение которой должно включать в себя концепцию и методологию выбора ресурсосберегающих методов управления ИК-энергоподводом в процессах переработки лекарственных растений в оздоровительный чай.

Работа выполнена в соответствии с программой научного обеспечения АПК РФ и по плану НИР КрасГАУ в соответствии с заданием 09.02 «Разработать новые наукоемкие электротехнологии и оборудование для энергетического обеспечения технологий производства сельскохозяйственной продукции и социально-бытовой сферы села на 2006 - 2010 годы».

Цель и задачи исследований. Цель работы - разработать ресурсосберегающие методы управления дискретным ИК-энергоподводом в процессах переработки лекарственных растений в оздоровительный чай.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить комплекс взаимосвязанных между собой задач:

1. Выполнить анализ состояния технологии обработки и переработки лекарственных растений в оздоровительный чай и определить пути решения данной проблемы.

2. Изложить общую методологию решения научной проблемы формирования активно действующих веществ в процессах производства оздоровительного чая.

3. Разработать математические модели взаимодействия системы «излучатель-растение» в процессах производства оздоровительного чая.

4. Привести методику и технику экспериментальных исследований.

5. Провести экспериментальные исследования по определению эффективных методов и средств управления ИК-энергоподводом в технологии оздоровительного чая.

6. Провести комплекс работ по испытанию ИК-установок, внедрить результаты исследований в производство оздоровительного чая и определить технико-экономическую эффективность.

Объект исследования. Объектом исследования является процесс переработки лекарственных растений ИК-излучением в технологии оздоровительного чая.

Предмет исследования. Предметом исследования являются причинные и функциональные связи и закономерности взаимодействия электротехнологических параметров и показателей эффективности ИК-обработки.

Методы исследования. Методическую основу организации исследований инфракрасной обработки дикорастущих и культивируемых лекарственных растений составляет аппарат теории тепломассообмена. Проводилось теоретическое обобщение применимости эффективных методов объемного ИК-облучения в сочетании с дискретными режимами ИК-энергоподвода применительно к процессам термообработки лекарственных растений. Использованы методы теоретической и практической фотометрии, математическое моделирование, методы математической статистики.

Эффективные режимы ИК-облучения лекарственных растений определены посредством теоретических и экспериментальных исследований.

Основные параметры процессов термообработки лекарственных растений соответствовали технологическим требованиям и были исследованы на специально разработанных экспериментальных установках лабораторного и производственного типов с использованием современных измерительных приборов, в том числе и дериватографии.

Соответствие полученного чая требованиям нормативных документов по органолептическим показателям и составу определялось специальным центром, аккредитованным в системе “ГОСТ Р”.

Структуру и состав активно действующих веществ в лекарственных растениях до переработки и после переработки ИК-излучением определяли в областной «Агрохимлаборатории».

Научную новизну исследований представляют:

- методология выбора ресурсосберегающих методов управления ИК-энергоподводом при формировании активно действующих веществ в процессах производства оздоровительного чая;

- математические модели по взаимодействию системы «излучатель-растение» в процессах производства оздоровительного чая;

- методы и способы управления ИК-энергоподводом в процессах производства оздоровительного чая;

- закономерности по управлению методами ИК-энергоподвода в процессах переработки лекарственных растений в оздоровительный чай с оптимальным составом активно действующих веществ;

- терморадиационные и теплофизические свойства основных лекарственных растений;

- новые высокотехнологичные схемы объемного ИК-облучения и технические средства для термообработки лекарственных растений.

Практическая значимость и реализация работы. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана электротехнология и электрооборудование для производства оздоровительного чая из лекарственных растений.

На основе этих разработок при Иркутской государственной сельскохозяйственной академии (ИрГСХА) была создана мини-фабрика по производству оздоровительного чая. При сотрудничестве с Восточно-Сибирским центром стандартизации и метрологии утверждены технические условия на производство “Чая Байкальского” (ТУ-9191-001-0492916-94). Результаты работы использованы в учебном процессе ИрГСХА и Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) и при написании опубликованной монографии: «Основы технологии оздоровительного чая» (2006 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

- методология решения научной проблемы формирования активно действующих веществ в электротехнологии оздоровительного чая путем применения ресурсосберегающих методов, способов и электротехнических средств управления ИК-энергоподводом;

- математические модели по взаимодействию системы «излучатель-растение» в процессах переработки лекарственных растений в оздоровительный чай;

- терморадиационные характеристики листьев основных видов лекарственных растений в ИК-диапазоне излучения применительно к требованиям термообработки;

- обоснование, выбор и методы расчета новых энергосберегающих ИК-излучателей для термообработки лекарственных растений;

- ресурсосберегающий прерывный и импульсно-прерывный методы управления ИК-облучением и законы регулирования их параметров в процессах переработки лекарственных растений;

- принцип послойного объемного ИК-облучения при согласном с потоком перемещении обрабатываемого сырья; технологическая схема и методика синтеза основных электротехнических средств, образующих многоярусную облучательную установку.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях ИрГСХА (1991, 1992, 1995, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001гг.); «АGROLASER-2001» (Польша, 2001 г.); региональной научно-практической конференции «Наука и преподавание дисциплин естественного цикла в образовательных учреждениях» (Улан-Удэ, 2002г.); международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, электроснабжение, транспорт» (Тобольск, 2004 г.); всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в ХХI веке» (Чита 2006г.); международной научно-практической конференции «Совместная деятельность сельскохозяйственных товаропроизводителей и научных организаций в развитии АПК Центральной Азии» (Иркутск, 2008 г.); научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (Иркутск, 2007г.); научных конференциях Красноярского государственного аграрного университета (Красноярск, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.); результаты исследований получили высокую оценку (Диплом III степени по итогам выставки-ярмарки «Ресурсы Приангарья-96») на семи международных выставках-ярмарках, на выставках «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование» (Иркутск, 2007, 2008гг.), на «Инновационном форуме 2009».

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа, из них 1 монография, 1 учебное пособие, 5 патентов на изобретение, 7 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Объём диссертации 385 страниц, в том числе 346 страниц основного текста. Список литературы состоит из 290 источников. В 3 приложениях приведены вспомогательные материалы.

Содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности исследуемой научно-технической проблемы, приведена краткая характеристика и состояние предмета исследований. Сформулированы цель, задачи, научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.

• В первой главе на основе системно-аналитического обзора литературных источников изложены проблемы повышения здоровья широких кругов населения на примере управления состоянием здоровья операторов транспортных средств. Приведены технология и технические средства, используемые для производства классического и оздоровительного чая. Изложены сведения о ресурсах дикорастущих и культивируемых лекарственных растений и электроэнергетических ресурсах Иркутской области, выполнен анализ спектральных характеристик ИК-излучателей и технологических характеристик основных лекарственных растений.

При всем разнообразии в профилактике и лечении пациентов врачи опираются лишь на традиционные и классические методы лечения, и редко когда в арсенале врачей имеют место препараты растительного происхождения: травы, овощи, фрукты. Разработанная электротехнология и электротехника оздоровительного чая из дикорастущих и культивируемых растений позволит организовать производство оздоровительного чая с оптимальным составом активно действующих веществ при минимальном расходе энергии и использовать его в качестве средства повышения работоспособности операторов транспортных средств и широких кругов населения.

Большой вклад в разработку и внедрение ресурсосберегающих принципов, методов и средств в электротехнологиях АПК внесли известные ученые в области сельской электрификации: Л.А. Астраханцев, А.А. Багаев, А.М. Басов, И.Ф. Бородин, И.А. Будзко, А.Г. Возмилов, В.П. Горелов, В.Н. Делягин, Ф.Я. Изаков, В.В. Карасенко, Ф.Д. Косоухов, И.Ф. Кудрявцев, Л.В. Куликова, Я.А. Кунгс, С.П. Лебедев, И.И. Мартыненко, И.В. Наумов, О.К. Никольский, В.И. Пантелеев, Е.Г. Порсев, Л.Г. Прищеп, В.Г. Сазыкин и др. Теоретические основы ресурсосберегающих методов энергоподвода в процессах переработки сырья растительного происхождения изложены в исследованиях, представленных в докторских диссертациях В.Н. Карпова, Г.И. Цугленок, Н.В. Цугленка, А.М. Худоногова и других ученых, занимающимися вопросами применения электромагнитного излучения для обработки и переработки сырья растительного происхождения.

Исследованию ИК-методов подвода энергии для термообработки пищевых продуктов посвящены работы А.С. Гинзбурга, С.Г. Ильясова, В.К. Кирдяшкина, В.В. Красникова, А.В. Лыкова, Ю.М. Плаксина, Н.Г. Селюкова, Е.П. Тюрева, В.В. Филатова и других авторов. Однако в этих работах не рассматривалась проблема переработки лекарственных растений в оздоровительный чай с оптимальным составом активно действующих веществ, отсутствуют закономерности по управлению дискретным энергоподводом с учетом изменения теплофизических и оптических свойств материала в процессе терморадиационной обработки.

По результатам исследований, проведенных на кафедрах факультета агрономии и охотоведения ИрГСХА, установлено, что из 500 видов дикорастущих и культивируемых лекарственных растений, произрастающих на территории Иркутской области, 160 могут быть использованы в технологии производства оздоровительного чая. Вместе с тем ресурсы лекарственных растений области используются не полностью, принимается к заготовке лишь пятая часть их запасов. Между тем потенциальная ценность ресурсов дикорастущих растений в лесах Приангарья представляет большой хозяйственно-экономический интерес для принятия решений об организации хозяйственных промыслов и по мировым ценам середины 90-х гг. оценивается в 1,5 трлн долл. США.

Применение нетрадиционных источников электроэнергии особенно актуально для организации заготовки и переработки дикорастущего сырья. В настоящее время уровень энерговооруженности заготовителей и переработчиков дикорастущих растений практически равен нулю, так как все операции при заготовке и переработке лекарственного сырья выполняются либо вручную, либо с использованием устаревшей техники. Фрагменты этой технологии и техники приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Фрагменты технологии и техники переработки лекарственных растений

Увеличение объема заготовок сдерживается слабой материально-технической базой и отсутствием научно обоснованных методов и технических средств для переработки дикорастущего сырья. Наиболее целесообразной системой электроснабжения производств по переработке дикорастущего лекарственного сырья может оказаться так называемая малая энергетика, т.е. применение для электроснабжения пунктов по переработке дикорастущего сырья автономных источников электрической энергии. Лучшим в этом случае будет вариант с использованием возобновляемых источников энергии, таких как гелиоветроэнергетические станции, микро ГЭС и др. излучатель растение чай

Одним из путей повышения энергосбережения и интенсификации процессов термической обработки лекарственных растений для получения оздоровительного чая является согласование энергетических и спектральных характеристик ИК-излучателей с оптическими свойствами лекарственных растений. Спектральные характеристики ИК-излучателей зависят в основном от температуры нагрева излучателя и в настоящее время достаточно хорошо изучены. В подавляющем большинстве эти исследования проведены в соответствии с законом смещения Вина-Голицина, в основе которого заложена температура нагревания излучателя. Оптические характеристики растений в диапазоне инфракрасного излучения одним из первых исследовал Отто Кришер. Однако методика исследования по согласованию спектральных характеристик ИК-излучателей и оптических свойств растений имеет недостаток. В большинстве случаев оптические свойства растений подстраиваются под серийно выпускаемые кварцевые ламповые излучатели типа КГ (КИ). Получается обратная картина, противоречащая логическим законам техники: к излучателю подбиралось растение, а не наоборот. Вместе с тем в последние годы разработаны новые излучатели, выполненные на основе композиционных материалов с оптимальным спектральным составом излучения для процессов термообработки растений. Поэтому открывается путь к разработке и исследованию самонастраивающихся излучателей.

При решении вопроса интенсификации требуется учитывать весь комплекс параметров, влияющих на лучистый теплообмен в рабочей камере ИК-установки. Технологические требования диктуют условия по определению интегральной проницаемости ИК-излучения в растения в конкретном процессе.

На теплофизические операции по завяливанию, сушке и карамелизации углеводов используется от 50 до 70 % всей затрачиваемой энергии в технологическом процессе переработки лекарственных растений в оздоровительный чай. Однако эффективность поглощенной энергии излучения часто бывает невысокой из-за низкого качества облучения, обусловленного неравномерностью облучения по поверхности и объему объекта. Необходимо использовать новые принципы построения технологических схем объемного облучения, которые базируются на согласовании потоков распространения излучения и перемещения облучаемых лекарственных растений.

В заключение главы приведены выводы, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе изложена общая методология решения научной проблемы формирования активно действующих веществ в процессах производства оздоровительного чая.

Как известно, целебные свойства растений обусловлены содержанием в них активно действующих веществ: гликозидов, алкалоидов, сапонинов, полисахаридов, эфирных масел, органических кислот, флавоноидов, фитонцидов, витаминов, химических элементов, пигментов, смол, жирных масел. Количество действующих веществ, содержащихся в растении, исчисляется чаще сотыми и десятыми долями процента. Поэтому поиск принципов, методов, способов и средств в процессах заготовки, выращивания, переработки и хранения лекарственных растений с целью получения из них оздоровительных препаратов с оптимальным составом активно действующих веществ является по новизне важнейшей проблемой.

Методология решения научной проблемы в процессах формирования цельного структурно-организационного энергоэкономичного комплекса при производстве пищевых и оздоровительных продуктов по совокупности информационно-энергетических, продуктивных и временных показателей впервые представлена в работах Н.В. Цугленка.

Использование этой методологии применительно к решению проблемы по производству оздоровительного чая из культивируемых и дикорастущих лекарственных растений при помощи управляемого электромагнитного излучения ИК-диапазона можно представить разработанной функциональной схемой взаимодействия информационно-энергетических и продуктивных потоков в годовом цикле, позволяющей логически рассмотреть функциональные взаимосвязи трех условных подсистем (рис. 2).

Сбор лекарственного сырья необходимо проводить во время максимального накопления биологически активных веществ в растениях (в определённые сроки, фазу развития растений и т.д.). При изучении динамики накопления активно действующих веществ в фазе цветения в надземной части чабреца в районе бухты Радость-1 на побережье оз. Байкал нами были получены уникальные данные.

Динамика накопления активно действующих веществ (фенольных соединений) в чабреце в период с 11 по 25 июля показана на рисунке 3 кривыми, полученными при помощи УФ-спектрофотометрии.

Рисунок 2 - Схема взаимодействия энергетических и продуктивных потоков в технологии оздоровительного чая при помощи ИК-энергоподвода

Рисунок 3 - Спектры поглощения водного настоя чабреца, собранного на побережье озера Байкал. Срок сбора: 1 - 11.07-13.07.1997 г. (t = 24 °С); 2 - 14.07-16.07.1997 г. (t = 25 °С); 3 - 17.07-19.07.1997 г. (t = 24 °С); 4 - 20.07-22.07.1997 г. (t = 26 °С); 5 - 23.07-25.07.1997 г. (t = 10 °С)

Так, величина пика поглощения водного настоя чабреца в течение первых двенадцати дней возрастала. С 23.07.97 г. по 25.07.97 г. в районе этой бухты резко изменились внешние природные факторы. В этот период температура воздуха понизилась с 26 °С до 10 °С, скорость ветра увеличилась от 3 м/с до 50 м/с. Количество и качество действующих веществ было значительно ниже в образцах чабреца, собранных при неблагоприятных погодных условиях (кривая 5).

Математическая модель взаимодействия энергетических и продуктивных потоков в технологии оздоровительного чая из дикорастущих и культивируемых растений при помощи ИК-энергоподвода может быть представлена в общем виде дифференциальными уравнениями, характеризующими динамику сопряжения экологобиотехнологических циклов

(1)

(2)

где M=M(t) - продуктивная масса в момент текущего времени t в экологобиотехнологическом цикле оздоровительного чая, кг; Q₁ - входной или продуктивный поток, или потенциальная биомасса растений, накапливаемая за счет фотосинтеза, кг/с; Q₂ - поток массы на выходе, потери биомассы растений, связанные с дыханием в процессе вегетации, или потери биомассы в процессе ее дальнейшей переработки, кг/с; E=E(t) - энергия, полезно использованная в момент текущего времени t в экологобиотехнологическом цикле, Втс; Р₁ - суммарный энергетический поток экологических и антропогенных источников, используемых в экологобиотехнологическом цикле, Вт; Р₂ - суммарные потери энергетического потока экологических и антропогенных источников, используемых в экологобиотехнологическом цикле, Вт; d₁, d₂, C₁, C₂ - постоянные коэффициенты.

Решение уравнений (1) и (2) выражает основные показатели цикла: продуктивная масса М и полезно используемая энергия Еп в виде функций от значений величины информационно-энергетических воздействий (экологических и антропогенных) и временной структуры циклов Т, t и ф.

Уравнение (2) может быть представлено в виде

(3)

где rе - показатель геометрической характеристики растений; - фактический максимальный биологический потенциал энергопродуктивности; - постоянный коэффициент, характеризующий эффективность влияния совокупной экологической и антропогенной энергии на рост растений; Е₀ = e₀H - величина начальной энергопродуктивности семян культивируемых растений, равная произведению начального энергосодержания семян e₀ на норму посева Н, для дикорастущих растений эта величина равна нулю; N - величина удельного фотосинтеза; К - величина удельного дыхания; k₁ - постоянный коэффициент, характеризующий интенсивность фотосинтеза; k₂ - постоянный коэффициент, характеризующий интенсивность дыхания; r - коэффициент пропорциональности основных размеров, характеризующий отношение проекции площади, занимаемой растениями F, к площади поверхности листьев Fл.

Постоянная времени биологического цикла

. (4)

Эти теоретические положения были использованы нами при определении оптимальных сроков заготовки дикорастущих растений.

Для исследования динамической модели системы машин, обладающей стабильной поточностью при прохождении продуктивного потока М через систему, можно использовать уравнение

(5)

где Q - производительность поточной системы кг/с; г - концентрация растений в единичном объеме рабочей камеры, кг/м³; V_i - объем рабочей камеры i-го звена поточной системы, м³; ф_мi - время машинного цикла, с; t_Т - время технологического цикла, с; - КПД потерь продуктивного потока.

Выражение иллюстрирует зависимость производительности от времени технологического цикла t_T . Чем больше время технологического цикла t_T , тем меньше производительность машин технологического комплекса и соответственно меньше размер рабочих камер машин и меньше их материалоемкость при одном и том же объеме перерабатываемой продукции М. Для снижения материалоемкости существующих технологических комплексов необходимо использовать в организационном плане максимально возможное время t_T периода переработки полученной продукции М. Для снижения материалоемкости отдельно каждой машины необходимо изыскивать возможности сокращения времени внутреннего машинного цикла ф_мi.

Для определения взаимодействия параметров энергетических потоков с основными параметрами продуктивного потока решение уравнения для любого звена технологического комплекса переработки лекарственных растений

(6)

где Р_уд - удельная мощность экологических и антропогенных потоков, необходимая для заданных технологических преобразований количественно-качественных характеристик обрабатываемых продуктов, приходящаяся на единицу объема рабочей камеры кВт/м³, ф_э - время энергетического цикла, т.е. период нахождения продукта под энергетическим воздействием; _э - энергетический КПД.

Данное выражение хорошо иллюстрирует взаимодействие энергопродуктивных потоков в любом звене технологического комплекса и связывает воедино основные параметры: продуктивность (производительность) Q с удельной мощностью Р_уд и временем энергетического цикла заданного технологического процесса и позволяет определить по заданной, т.е. установленной удельной мощности Р_уд и времени энергетического цикла ф_э для расчетной производительности Q мощность энергетических источников Р₁.

Анализ выражения (6) показывает, что на увеличение продуктивности существенное влияние оказывает общая мощность (интенсивность солнечной радиации, мощность преобразователей антропогенной энергии и т.д.), энергетический КПД з_э, энергонасыщенность технологического процесса P_уд и время энергопродуктивного цикла ф_э.

Повысить производительность при фиксированной мощности Р₁ можно за счет использования новых принципов и методов энергоподвода, снижая материалоемкость оборудования и увеличивая концентрацию энергии Р_уд, и тем самым сократить время энергопродуктивных циклов ф_э.

В последние годы работами академика М.Ф. Казанского и его учеников на основании термограмм сушки установлен ряд сингулярных точек, характеризующих различные формы связи влаги с капиллярно-пористыми коллоидными телами, к которым можно отнести и лекарственные растения (рис. 4). По схеме М.Ф. Казанского вся влага разделяется на влагу физико-механической и физико-химической связей. Количество энергии для отрыва 1 моля воды с физико-механической связью в несколько раз меньше количества энергии для отрыва 1 моля воды с физико-химической связью. При физико-механической связи влаги с лекарственными растениями основная масса воды является свободной и сохраняет свои свойства. Слой воды, связанный адсорбционно, меняет свои свойства. Можно полагать, что вода в растениях имеет в основном физико-механическую связь и лишь незначительный процент воды с физико-химической связью.

Рисунок 4 - Термограмма сушки (1) и кривая сушки (2)

Анализ термограммы и кривой кинетики процесса сушки растений с физико-механической связью влаги показывает, что для удаления свободной влаги в начальный момент процесса термообработки целесообразно подводить большее количество энергии до достижения предельно допустимой температуры для данного процесса и растения с целью интенсификации процесса влагоудаления и сокращения времени на процесс сушки. По мере удаления влаги уровень подводимой энергии необходимо снижать и поддерживать рабочую температуру, не превышающую предельно допустимых значений для данного растения. Время работы облучателя в первом цикле определяется из выражении

(7)

где Тн - постоянная времени нагрева; tmax - предельно допустимая температура для данного растения; Vпред.доп - предельно допустимая скорость нагрева для данного растения.

На основании теоретических исследований были выбраны закономерности регулирования дискретными методами ИК-энергоподвода в процессах переработки лекарственных растений. Описание этих закономерностей совпадает с разложением степенной функции в ряд Маклорена. Закон регулирования можно представить в виде ряда Маклорена с показателем степени, учитывающим степень увлажнения растения и постоянную времени нагрева.

(8)

где x = Т/ Тн - отношение времени цикла или его части к постоянной времени нагрева лекарственных растений.

Поиск эффективных режимов ИК-облучения в процессах термообработки материалов, в том числе и при исследовании технологии оздоровительного чая, указал на пути комбинации элемента искусственной конвекции и прерывных методов нагрева.

Включение и отключение ИК-облучателя при прерывном энергоподводе можно осуществлять двумя принципиально различными методами управления:

1) частотно-прерывный метод управления энергоподводом (рис. 5);

2) широтно-прерывный метод управления энергоподводом (рис. 6,7).

Наиболее подробно исследован широтно-прерывный метод управления энергоподводом. Были исследованы два варианта широтно-прерывного метода управления ИК-энергоподводом: с повышением уровня энергоподвода в каждом последующем цикле (рис. 6); с понижением уровня энергоподвода в каждом последующем цикле (рис. 7).

При исследовании широтно-прерывных методов управления энергоподводом в процессах переработки лекарственных растений были учтены результаты лабораторных и производственных экспериментальных исследований по удалению влаги из растений.

Рисунок 5 - Частотно-прерывный метод управления ИК-энергоподводом

Рисунок 6 - Широтно-прерывный метод управления с повышением уровня ИК-энергоподвода в каждом последующем цикле

Рисунок 7 - Широтно-прерывный метод управления с понижением уровня ИК-энергоподвода в каждом последующем цикле

Для ускорения процесса удаления влаги из внутренних слоев растений необходимо организовать процесс переработки растений с понижением уровня энергоподвода в каждом последующем цикле. Так как в начале процесса сушки количество влаги в растениях имеет максимальное значение и она в основном имеет механическую связь, то в период интенсивного нагрева большая часть ее будет удалена в первых циклах процесса сушки с минимальными затратами энергии на совершение работы по отрыву влаги от сухого вещества. Чередование периодов интенсивного нагрева растений с интенсивной вентиляцией позволяет использовать эффект внутреннего термовлагопереноса и завершить процесс с минимальными затратами энергии и на сравнительно низком температурном режиме. А это, в свою очередь, позволит не только значительно сократить расход энергии на процесс, но и в значительной степени обеспечить более высокое качество готового продукта.

Принципиально другая картина будет при организации процесса переработки растений с повышением уровня энергоподвода в каждом последующем цикле. Увеличение температуры к концу процесса приведет не только к повышенным затратам энергии, но и к необратимым процессам в составе активно действующих веществ.

• В третьей главе представлены математические модели взаимодействия системы «излучатель-растение» в процессах производства оздоровительного чая.

Рисунок 8 - Структурно-логическая модель ИК-энергоподвода в технологии оздоровительного чая

Структурно-логическая модель (рис. 8), символически указывает на энергетическую взаимосвязь на всем пути преобразования электрической энергии в конкретном технологическом процессе с его целевым назначением. Она, вместе с тем, открывает дорогу к выбору математических моделей по обоснованию в технологических процессах обработки дикорастущего и культивируемого лекарственного сырья инфракрасным нагревом.

Математическая модель воспроизводит кинетику нагрева лекарственных растений ИК-излучением. Для математического описания поведения системы «излучатель-растение» можно использовать дифференциальное уравнение энергетического баланса, которое наиболее полно будет отражать взаимосвязь между плотностью мощности и скоростью нагрева растения

(9)

где А - коэффициент поглощения энергии ИК-излучения растением; - КПД ИК-облучателя; С - теплоемкость растений, Дж/К; Р - мощность ИК-облучателя, Вт; Р_к - тепловые потери, возникающие в результате конвективного теплообмена, Вт; - время процесса, с; Р_исп - мощность, необходимая на испарение влаги, Вт; Р_u - тепловые потери, возникающие в результате лучистого теплообмена между облучаемым растением и окружающими поверхностями, Вт.

Решение этого дифференциального уравнения относительно превышения температуры нагрева растения над температурой окружающей среды

(10)

где _max - максимально возможное превышение температуры, К; е - основание натуральных логарифмов; Т - постоянная времени нагрева растения, с;

_нач - начальное превышение температуры, К.

Если температура растения и температура окружающей среды в начале процесса имеет одинаковое значение, тогда _нач = 0.

Уравнение (10) перепишется так

(11)

Максимально возможное превышение

(12)

где Q_F - теплоотдача с поверхности растения, Вт/К.

(13)

где- суммарный коэффициент теплообмена, Вт/K·м²; F - площадь теплообмена, м².

С учетом выражения (13) уравнение (12) перепишется как

(14)

Обозначим

(15)

Тогда

(16)

Показатель объединяет группу коэффициентов, характеризующих свойства излучателей и лекарственных растений и зависящих главным образом от согласования спектральных характеристик источников излучения и оптических свойств растений; P/F - плотность мощности, Вт/м².

Связь между плотностью мощности и скоростью нагрева можно найти, продифференцировав уравнение (11) по

(17)

Или

(18)

Уравнение (11) можно переписать в виде

(19)

Поэтому с учетом выражения (19) уравнение (17) можно переписать как

(20)

При = 0 получается зависимость между плотностью мощности и максимально возможной скоростью нагрева растений

(21)

Или максимально возможная скорость нагрева растений в наиболее общем виде представляется как

(22)

По уравнениям (16) и (22) можно с помощью вычислительной техники производить расчеты по максимально возможным значениям температуры и скорости нагрева лекарственных растений при различных значениях плотности мощности.

Для придания некоторым видам и сортам оздоровительного чая специфического вкуса проводят операцию по карамелизации углеводов. Этот процесс осуществлялся в основном при переработке корнеплодов моркови и листьев иван-чая. При исследовании технологии получения поливитаминного оздоровительного чая, в состав которого входит 50 % моркови, нами были детально изучены процессы влияния методов ИК-энергоподвода на химический состав готового продукта. В процессе сушки при низких температурах (до 80⁰С) сохраняется почти 100 % каротина, но продукт выходит с низким содержанием сахара. В процессе карамелизации углеводов, когда температура процесса значительно превышает 150⁰С, происходит обратная картина, т.е. резкое увеличение содержания сахара и полностью исчезает каротин.

Система дифференциальных уравнений, описывающая динамику процесса тепломассообмена в лекарственных растениях, выглядит следующим образом:

(23)

(24)

(25)

(26)

Система уравнений (23)…(26) показывает, что изменение объема лекарственного сырья V c течением времени происходит под действием трех движущих сил: под действием изменения влагосодержания U и массосодержания, температуры t и давления Р_т.

Трудности разработки схемы численного решения системы дифференциальных уравнений (23)…(26) связаны с определением коэффициентов тепломассообмена (К₁₁ …К₄₄). Задача получается сложной в аналитическом отношении, так как она является нелинейной. Поэтому представляет интерес получить приближенное, достаточно надежное обобщенное уравнение кинетики процесса карамелизации с минимальным количеством констант, определяемых теоретически или экспериментально.

Выход из данной ситуации заложен в анализе кривых роста объема материала и скорости роста объема тела сырья. Все три периода можно описывать одним уравнением - уравнением кривой

(27)

Уравнение (27) интересно в том отношении, что оно рассматривает протекание процесса карамелизации под действием двух движущих сил: под действием отклонения текущего объема материала V от начального разнообъемного значения и под действием отклонения V от конечного разнообъемного значения .

Под разнообъемностью понимается соотношение объемов в сырье между сухой частью и водой.

Решение (27) для начальных условий = 0, V=V_н имеет вид

(28)

Трудности применения уравнения (28) связаны с нахождением параметров и . можно определить по геометрическим и физическим характеристикам сырья.

Параметры и можно определить, получив и решив систему уравнений кинетики процесса карамелизации, отражающих взаимосвязь между тепломассообменом и ростом объема тела сырья. Из дифференциального уравнения энергетического баланса применительно к процессу карамелизации

(29)

где Т - постоянная времени нагрева единичного материала, с;

- превышение температуры сырья над температурой окружающей среды, К.

Считая, что существует полное совпадение по фазам между явлениями теплообмена и ростом объема тела сырья, из выражений (28) и (29) получаем необходимую систему уравнений для кинетики процесса карамелизации.

(30)

(31)

(32)

Величину K_m можно использовать в качестве модифицированного обобщенного параметра тепломассообмена при изучении термических процессов.

В четвертой главе приведена методика и техника экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментальных исследований по ресурсосберегающим методам управления ИК-энергоподводом в процессах производства оздоровительного чая, в соответствии с планом работы научно-исследовательской лаборатории "Электротехнология дикорастущих", была использована методика поэтапного проведения эксперимента.

На первом этапе проводились предварительные лабораторные исследования на специальных установках с целью изучения взаимодействия системы "излучатель-лекарственное растение" применительно к конкретному процессу (завяливание, ферментация, сушка и карамелизация углеводов), к конкретному решению и к конкретному источнику излучения. На этом этапе тщательно проверялись теоретические предпосылки, выдвинутые научной гипотезой. Эти исследования проводились до получения положительных результатов. Полученные результаты реализовались в технических проектах и технических условиях на разработку действующих моделей лабораторного типа.

Второй этап - проведение экспериментальных исследований на действующих моделях лабораторного типа, то есть на уменьшенных натурных образцах. Исследование ресурсосберегающих методов управления ИК-энергоподводом в процессах производства оздоровительного чая на этих установках, но уже в динамике, вносило необходимые коррективы в окончательные технические условия и технические проекты, которые служили исходными данными при разработке и изготовлении экспериментальных ИК-установок производственного типа.

Третий этап - проведение экспериментальных исследований в производственных условиях на специальных установках производственного типа. На этом этапе уточнялись оптимальные режимы процессов термообработки лекарственных растений и наиболее ресурсосберегающие схемы управления ИК-энергоподводом, определялись пути интенсификации технологических процессов путем использования высококачественных технологических схем объемного облучения, проверялись основные технико-экономические показатели различных методов и средств управления ИК-энергоподводом.

В программу экспериментальных исследований были включены следующие серии экспериментальных работ, позволяющие проверить общую теорию по формированию активно действующих веществ путем применения дискретных методов ИК-энергоподвода в процессах переработки лекарственных растений в оздоровительный чай и отдельные математические модели взаимодействия системы «излучатель-лекарственное растение» в следующих технологических процессах:

1. Технологические процессы завяливания и сушки лекарственных растений.

2. Технологический процесс ферментации.

3. Технологический процесс карамелизации углеводов.

Программой работ предусматривалось экспериментальное определение оптических и терморадиационных свойств лекарственных растений на типовых и нестандартных установках. Выполнение многочисленных химических анализов по основным видам лекарственных растений проводилось в специализированных лабораториях областного уровня с целью получения ТУ на оздоровительный чай и сертификатов качества.

Определение оптических свойств лекарственных растений необходимо для обоснования выбора вида излучателя. Терморадиационные характеристики лекарственных растений необходимы при обосновании режимов облучения.

Оптические свойства лекарственных растений определяли с помощью спектрофотометра UR-20. Для устранения нежелательных явлений при снятии спектрограмм из натуральных лекарственных растений готовились образцы для просвечивания их на спектрофотометре UR-20. Образцы изготавливались из тонких срезов (2,5 мкм, 5 мкм и 10 мкм), полученных на микротоме.

Терморадиационные характеристики основных лекарственных растений определялись по следующей методике. В основе была заложена идея измерения температуры на двух различных глубинах, точнее сверху и снизу испытываемого образца. Для этого, с участием автора, был разработан и изготовлен электронный прибор для определения терморадиационных свойств лекарственных растений.

Прибор состоит из двух одинаковых электронных блоков, смонтированных в одном корпусе. Общий вид прибора приведен на рисунке 9.

В качестве чувствительного температурного элемента используется в известной мостовой схеме полупроводниковый микротерморезистор типа МТ-54. Постоянная времени нагрева этого микротерморезистора равна 500 мкс, поэтому измерение температуры можно производить очень быстро. Поскольку электронный усилитель имеет линейную характеристику, то показания микроамперметра и плотность потока проникающего излучения Ix будут связаны следующей зависимостью:

(33)

где К - постоянная прибора (при пользовании данной методики можно принять К=1).

Рисунок 9 - Общий вид прибора для определения терморадиационных свойств лекарственных растений

Если коэффициент поглощения ИК-излучения Апо высоте испытуемого образца не изменяется, то интенсивность проникающего излучения на глубину Х, согласно закону Бугера, определяется как

(34)

где Io - интенсивность потока на поверхности испытуемого образца, т.е. при Х=0; А - коэффициент поглощения излучения на глубине и .

Выполнив измерения в момент облучения испытуемого образца, можно определить коэффициент поглощения:

(35)

где n₁ - показания первого микроамперметра; n₂ - показания второго микроамперметра; - толщина слоя, м.