CC BY
12
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
05.20.02 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ _В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ_
Научная статья УДК 621.385.6
Б01: 10.24412/2227-9407-2022-6-32-43
Исследование динамики нагрева воскового сырья в электромагнитном поле СВЧ
Александр Владимирович ШевелевМаксим Сергеевич Жужин2, Евгений Александрович Сбитнев3
12 3 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия
1 shevelev522@maiLruB!, https://orcid.org/0000-0002-6536-1419
2 zhuzhin001@yandex.ru
3 evgenij.sbitnev@yandex.ru
Аннотация
Введение. Статья посвящена теоретическому описанию процесса термической обработки воскового сырья -забруса, а именно, как будут изменяться его физические (теплоемкость, плотность) и электрофизические (диэлектрическая проницаемость, фактор диэлектрических потерь) параметры с возрастанием температуры. Это дает представление о том, каким образом будет происходить процесс вытопки воска из забруса в проектируемой СВЧ-воскотопке с полусферическими резонаторами.
Материалы и методы. Теоретические исследования базировались на основных законах диэлектрического нагрева двухкомпонентного сырья с изменяющимися электрофизическими параметрами в процессе воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Статистическую обработку результатов теоретических и экспериментальных исследований проводили в программах MS Excel.
Результаты и обсуждение. В результате исследований получена динамика нагрева воскового сырья при разных напряженностях электромагнитного поля, установлена зависимость скорости нагрева от напряженности и от удельной мощности генератора при разной продолжительности воздействия ЭМПСВЧ. Установлена взаимосвязь напряженности ЭП в резонаторе и удельной мощности генератора при различной продолжительности воздействия ЭМПСВЧ. Конечным итогом проведенных теоретических и экспериментальных исследований является получение номограммы, учитывающей взаимосвязь удельной мощности генератора, напряженности ЭП, продолжительности воздействия и скорости нагрева воскового сырья.
Заключение. В полусферических резонаторах проектируемой СВЧ-воскотопки напряженность ЭП в сырье в зависимости от удельной мощности генератора (0,6-0,9 Вт/г), продолжительности воздействия (60-180 с) и изменения скорости нагрева (0,3-0,7 оС/с) варьируется в пределах от 1230 до 1944 В/см.
Ключевые слова: восковое сырье, динамика нагрева, СВЧ-воскотопка, резонатор, скорость нагрева, удельная мощность генератора
Для цитирования: Шевелев А. В., Жужин М. С., Сбитнев Е. А. Исследование динамики нагрева воскового сырья в электромагнитном поле СВЧ // Вестник НГИЭИ. 2022. № 6 (133). С. 32-43. DOI: 10.24412/2227-94072022-6-32-43
© Шевелев А. В., Жужин М. С., Сбитнев Е. А., 2022
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ Study of wax heating dynamics in microwave electromagnetic field
Alexander V. Shevelev1B, Maxim S. Zhuzhin2, Evgeny A. Sbitnev3
12 3 Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia
1 shevelev522@mail.ru^, https://orcid.org/0000-0002-6536-1419
2 zhuzhin001@yandex.ru
3 evgenij.sbitnev@yandex.ru
Abstract
Introduction. The article is devoted to a theoretical description of the process of heat treatment of wax raw materials - zabrus, namely, how its physical (heat capacity, density) and electrophysical (dielectric constant, dielectric loss factor) parameters will change with increasing temperature. This gives an idea of how the process of melting wax from zabrus will take place in the projected microwave wax melter with hemispherical resonators.
Materials and methods. Theoretical studies were based on the basic laws of dielectric heating of two-component raw materials with changing electrophysical parameters during exposure to an electromagnetic field of microwave frequency (EMSHF). Statistical processing of the results of theoretical and experimental studies was carried out using MS Excel programs.
Results and discussion. As a result of the research, the dynamics of heating of wax raw materials at different strengths of the electromagnetic field was obtained, the dependence of the heating rate on the strength and on the specific power of the generator was established for different durations of exposure to EMSHF. The interrelation of the EF intensity in the resonator and the specific power of the generator is established for different durations of exposure to EMSHF. The final result of the theoretical and experimental studies carried out is to obtain a nomogram that takes into account the relationship between the specific power of the generator, the intensity of the electric field, the duration of exposure and the rate of heating of the wax raw material.
Conclusion. In the hemispherical resonators of the designed microwave wax melter, the electric field strength in the raw material, depending on the specific power of the generator (0.6-0.9 W/g), the duration of exposure (60-180 s), and the change in heating rate (0.3-0.7 °C/s) ranges from 1230 to 1944 V/cm.
Key words, wax raw materials, heating dynamics, microwave wax melter, resonator, heating rate, generator power density
For citation: Shevelev A. V., Zhuzhin M. S., Sbitnev E. A. Investigation of the heating dynamics of wax raw materials in a microwave electromagnetic field // Bulletin NGIEI. 2022. № 6 (133). P. 32-43. DOI: 10.24412/2227-94072022-6-32-43
Введение
Повышение производительности труда в пчеловодстве подразумевает переход на более современные технологии переработки получаемого сырья. Главным направлением в интенсификации производства, переработки и хранении должны быть технологические процессы с применением электрофизических средств, не влияющих отрицательно на окружающую среду. Наиболее перспективным направлением интенсификации процесса переработки продукции пчеловодства является использование энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), что обеспечит его безот-ходность, энергоэффективность [1; 2]. Поэтому со-
здание СВЧ-воскотопки непрерывно-поточного действия с резонаторами нестандартного конструкционного исполнения является актуальной задачей.
В процессе проектирования СВЧ-воскотопки с состыкованными полусферическими резонаторами [3] и основных ее узлов возникла необходимость исследования динамики нагрева воскового сырья - забруса. Для этого необходимо учесть изменения его физических и электрофизических параметров в процессе воздействия ЭМПСВЧ. Это даст представление о том, каким образом будет происходить процесс вытопки воска из забруса в проектируемой СВЧ-воскотопке с полусферическими резонаторами.
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
Материалы и методы
Теоретические исследования базировались на основных законах диэлектрического нагрева двух-компонентного сырья с изменяющимися электрофизическими параметрами в процессе воздействия в электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Статистическую обработку результатов теоретических и экспериментальных исследований проводили в программах MS Excel.
Ранее созданием воскотопок с использованием энергии ЭМПСВЧ занимались ряд ученых [4; 5;
6; 7; 8], главным недостатком таких установок является их цикличность.
Анализировались изменения следующих параметров воскового сырья в процессе нагрева: теплоемкость (С, Дж/г• С) и плотность (р, г/см3), диэлектрическая проницаемость (е), фактор диэлектрических потерь (к) (рис. 1). Ранее изучением физических свойств воска занимались Лузгин Н. Е. [9], Каширин Д. Е. [10], Бышов Н. В. [11], Некраше-вич В. Ф. и др. [12; 13; 14; 15]. Изменения диэлектрических параметров в зависимости от температуры изучал И. А. Рогов1.
1
I 0,9 м
£ 0,8
s
щ
9 0,7
о
Ч о,6
л
н
н
I 0,4 И
0,3
0,9 7
y = ,3 23 5e
0 ,82
0,7
0 ,6
0,5 2
0 ,44 2
10 30 50 70 90
Температура, °С / Temperature, °C
а / а
■а
т
о
0 м е
S
1 §
S
S я
ë- s
s -ё s s
s «
y "âj
a S
т
и
е
4 m
2,36 2,35 2,34 2,33 2,32 2,31 2,3 2,29
2, 35
y = 2 5 54x -0,021
2, 332
1 2 32
31
2,3
03
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
Температура, °С / Temperature, °C
3,5
M
2,5
■a
т
о о И
м е
о
4
п е Т
g
sa :
о
ъ
и
S3 1,
= 0 ,72 44 e0 ,02 05X
2,9 3
2 ,5
2,
1 ,7
1,3 5
1 ,05 1
10 30 50 70 90
Температура, °С / Temperature, °С
б / b
■a
р
е т
о
п r
g 2
S fj
И si
О «4Г 5«
В о a
Ы с
- «
5 «
л —
s .si
S « р
о
т
И
а
©
4
/
y 0 83 1 e0 / ,3
/
/
Э8
,1 6
20 30 40 50 60
Температура, °С / Temperature, °C
70
3
5
1
e / c г / d
Рис. 1. Изменение физических и электрофизических параметров воскового сырья в процессе нагрева: а - плотность; б - теплоемкость; в - диэлектрическая проницаемость; г - фактор диэлектрических потерь Fig. 1. Change in the physical and electrophysical parameters of the wax raw material during the heating process: a - density; b - heat capacity; c - dielectric permittivity; d - dielectric loss factor Источник: разработано авторами на основании данных1
AT
Р д = 1,32---р• C, Вт / см . (5)
At
AT
_ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Начальная плотность воскового сырья составляет 442 кг/м3, а с нагреванием до температуры 65-70 °С увеличивается более, чем в 2 раза (рис. 1, а). Теплоемкость воскового сырья при нагревании изменяется от 1,05 до 2,93 Дж/г (рис. 1, б).
Знание электрофизических параметров воскового сырья в широком диапазоне частот и температур (рис. 1, в, г) необходимо для выбора частоты электромагнитных колебаний, разработки технологического процесса вытопки сырья и установки, позволяющей реализовать данный процесс с эффективными конструкционно-технологическими параметрами. Изменения физических и электрофизических параметров воскового сырья в процессе нагрева (20-70 °С) описываются следующими эмпирическими выражениями:
0,0156-Т / 3
1362,2 • 10 • к • Е = 1,32---р • C. (6)
At v 7
1362,2 • 10 10 • 0,383 • е°'0459-Т • Е2 =
AT At
= 1,32---0,324 • е0'0156'Т. 0,725- е0'021'Т.(7)
AT 1362,2 • 10-10 • 0,383 • е0'0459 Т • Е2
At 1,32-0,324- е0'0156- Т 0,725- е°'02ЬТ
0,0093 1/СОО 1Л-10 7-2
= е • 1682,6•10 •Е .
р = 0,324^ г/см3; С = 0,725^и'и21'1 Дж/г оС;
k = 0,383^0459'Т; е = 2,515 Т-0,021. (1)
По величине диэлектрической проницаемости можно оценить способность пчелиного воска накапливать энергию. Фактор диэлектрических потерь характеризует степень рассеивания энергии, затраченной на нагрев сырья, и энергии, запасенной за период электромагнитных колебаний, другими словами, это показатель потерь энергии в сырье2.
Результаты Для определения количества теплоты, выделяемой в единице объема воскового сырья, надо рассчитать удельные диэлектрические потери, т. е. потерю мощности в единице объема по формулам 2-3 [16; 17; 18]. Удельные диэлектрические потери зависят от параметров электрического поля, а именно от частоты (£ Гц) и напряженности (Е, В/см), а также от фактора диэлектрических потерь пчелиного воска (к). Удельную мощность можно определить также и по формуле (4) при определенной скорости его нагрева (А Т/Дт), зная термический КПД (п) и теплофизические параметры воскового сырья [19; 20].
Р = 8,85-10 14 -2- ж- f -106 -к-Е2 =
уд 7 и
= 0, 556 -10 -10 -2450 - к - Е2 (В / см), (Вт / см3) = (2) = 1362,2-10-10 - к- Е 2( В / см);
-10 2 3
Р = 1362, 2-10 - к - Е (В / см), Вт / см ; (3)
AT At
0,0093• Т 1 , „-10 j-,2
= е 1682, 6-10 • Е .
(8)
(9)
Принимаем, что в диапазоне температур 20-
о^ 0,0093-Т
70 С величина е равна единице.
АТ
-= 1682,6-10-10 -Е2. (10)
Ат
dT = 1682,6 • 1010 • Е2 -dT. (11) f dT = 1682,6-1010 •Е2 •
Т = 1682,6-1010 -Е2 т.
f
р A Т 1 AT Руд =--Р-С- = ~Р-C-At j At
AT
0,76
(4)
=--р • C -1,32, Вт / см .
At
(12) (13)
При напряженности ЭП, равной 1500 В/см:
Т = 1682,6 • 10-10 • (1500)2 • 60 = 22,7 °С;
Т = 1682,6 • 10-10 • (1500)2 • 120 = 45, 4 °С;
Т = 1682,6• 10-10 -(1500)2 -180 = 68,1 °С.
При напряженности ЭП, равной 1800 В/см:
Т = 1682, 6 • 10-10 • (1800)2 -60 = 32, 7 °С;
Т = 1682, 6 • 10-10 • (1800)2 • 120 = 65, 4 °С;
Т = 1682,6-1010 -(1800)2 -180 = 98,1 °С.
При напряженности ЭП, равной 2000 В/см:
Т = 1682,6 • 10-10 • (2000)2 • 60 = 40,4 °С;
Т = 1682,6 • 10-10 • (2000)2 • 120 = 80,8 °С;
Т = 1682, 6 • 10-10 • (2000)2 -180 = 121,1 °С.
На рисунке 2 приведена динамика нагрева воска при разных напряженностях ЭП. При продолжительности воздействия 180 с, температура воска достигает до 120, 98 и 68 °С при напряженности ЭП соответственно 2000, 1800 и 1500 В/см.
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
Температура, °С / Temperature, °C 2468024 00000000 5 0
1 12 >1 1 1 1
80 ,8 98 ,1
65 ,4 68 ,1
4 0, 4
1* ( ( 1 Мс 'м
2, 7 4 5,4 1
18 ( ( J ->Л M
22 ,7 2( ( ( 1 M "M
0 7 0 П р о 9 до 0 л км те ль 11 н 0 ос ть , с / 13 D 0 ur a tio n, 15 se 0 co n ds 17 0 19
Рис. 2. Динамика нагрева воска при разных напряженностях ЭП: 1500 В/см; 1800 В/см; 2000 В/см Fig. 2. Dynamics of wax heating at different electric field strengths: 1500 V/cm; 1800 W/cm; 2000 V/cm Источник: разработано авторами по результатам теоретических исследований
ев sa и
а -
ев S ■а н о о а о
и U
0,7 0,65 0,6 0,55
и
% 0,5 м
•Js 0,45
л
и
м 0,4
0,35 0,3
п f 67 11 3
0,
0 -ч 45
0 ,3 78 s
1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Напряженность ЭП, В/см / Electromagnetic field strength, V/cm
Рис. 3. Зависимость скорости нагрева воска от напряженности ЭП Fig. 3. Dependence of the wax heating rate on the intensity of the electric field Источник: разработано авторами по результатам теоретических исследований
Уравнение тренда, описывающее зависимость скорости нагрева воска от напряженности ЭП:
АТ/Аг = 0,0668-е°'Ш12'Е. (14)
Результаты экспериментальных исследований динамики нагрева и изменения скорости нагрева забруса при разной удельной мощности генератора приведены на рис. 4.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
и 75 70
I 65 | 60
и Н
55 Р 50
с?
$ 45
I 40
в
35 30
Н
0,6 Вт/г y = 29,47x0,27 y = 30,16x0,38 y = 33,34x0,37
0,75 Вт/г
к 0,9 Вт/г
33,8
31,1
60,5
30
68,7
60,3
47,3
150
60 90 120
Продолжительность воздействия ЭМПСВЧ, с / Duration of exposure to the electromagnetic field of the microwave, sec
Рис. 4. Динамика нагрева забруса (5-7 %) при разной удельной мощности генератора: 0,6 Вт/г; 0,75 Вт/г; 0,9 Вт/г Fig. 4. Dynamics of casting heating (5-7%) at different specific power of the generator: 0.6 W/g; 0.75 W/g; 0.9 W/g Источник: разработано авторами по результатам экспериментальных исследований
< u
u a^
о -23 as U
S ° c
a
а щ
s ^
■a м
ö -Л
13
и M U
0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25
V 8,2121x- 0,60
3752x"0,6C
Вт/г
30 60 90 120 150 180
Продолжительность воздействия ЭМПСВЧ, с / Duration of exposure to the electromagnetic field of the microwave, sec
210
Рис. 5. Влияние на скорость нагрева забруса (5-7 %) удельной мощности генератора: 0,6 Вт/г; 0,75 Вт/г; 0,9 Вт/г Fig. 5. Influence on the heating rate of the casting (5-7%) of the specific power of the generator: 0.6 W/g; 0.75 W/g; 0.9 W/g Источник: разработано авторами по результатам экспериментальных и теоретических исследований
Уравнения тренда, описывающие скорость нагрева при разных удельных мощностях генератора:
АТ/Аг = 8,21 т -0'6 (при Руд = 0,9 Вт/г); АТ/Ат = 7,38т -0'6 (при Руд = 0,75 Вт/г); АТ/Ат = 7,72 т -0'64 (при Руд = 0,6 Вт/г). (15)
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
0,8 и 0,7 Р В О & я 55 0,6 ai "в а £ % & 0,5 s 1 '■§ 0,4 о S3 И и 0,3 0,2 0
- 0 ,47 ,47 31 e 0,578 9x
y 0,6 y
0,5 8 0, 63
660
y - 0,2 714 e0,8 1/1x 0, 46
— 120 с 0 3,4]
|80 0, 36 0,3 6
г 0 r^f 0,33 llf 9рП 720- /X
y 0,
5 0 6 У Si гдел leci 1БМ fic ая ЭОУ 0 MOI per 7 Мо of t )СТ1 he > С mic ВЧ row 0 -rei pav ,8 гер e g< e O ра, rato Вт •r, W 0 /г / W/g 9
Рис. 6. Зависимость скорости нагрева забруса (5-7 %) от удельной мощности генератора при разной продолжительности воздействия ЭМПСВЧ Fig. 6. Dependence of the heating rate of the casting (5-7%) on the specific generator power at different durations of exposure to EMSHF Источник: разработано авторами по результатам экспериментальных и теоретических исследований
Уравнения тренда, описывающие зависимость скорости нагрева от удельной мощности генератора при разной продолжительности воздействия ЭМПСВЧ:
АТ/Аг = 0,473 е0'579 Руд (продолжительность воздействия 60 с);
АТ/Ат = 0,271-е0'817 Руд (продолжительность воздействия 120 с);
АТ/Ат = 0,227 е0'721 Руд (продолжительность воздействия 180 с. (16)
Сопоставим теоретические графики (рис. 3) с экспериментальными графиками (рис. 6) на рис. 7.
Зная зависимость скорости нагрева от напряженности ЭП при продолжительности воздействия ЭМПСВЧ от 60 до 180 с (формула 14) и зависимость скорости нагрева от удельной мощности (формула 16), можно записать:
1) 0,0668-е°'0012'Е = 0,473 е0'579 Руд (т = 60 с);
2) 0,0668-е°'0012'Е = 0,271-е0'817 Руд (т = 120 с);
3) 0,0668-е°'0012'Е = 0,227 е0'721 Руд
(т = 180 с). (17)
1. 0,0668- е0'0012= 0,470- е0'579^ (т = 60 с),
0 4С0- е0,579Руд П ПП19.Р \J.~ri~J С-
= 7,081-в
0,579- Руд
0,0668
^0,0012 -Е _ у Qgj ^0,579-Руд
0,0012- Е = ln ( 7,081- в0'519-Руд ).
Е = 833,33-ln ( 7,081-в0'579-Руд ). (18)
Е = 833,33-= 833,33-Е = 833,33-
ln ( 7,081) + в"57" ^ ] =
1,957 + 0,579- Р
Уд
1,957 + 0,579- Р
Уд
= 1630,83 + 482,5- Руд, В /см. Е = 1630,83 + 482,5-Р^, В/см. (19)
2. 0,0668-в0-0012Е= 0,271-в0'817 Руд(т = 120 с ); 0 271 -в0'817 РУд
n nni?.i7 0, 271 в
-=4,057- в
0,817 Руд.
0,0668
0,0012-Е= ln (4,057- в0817 Руд ) ; Е = 833,33 - ln (4,057 - в0'817 Руд ) ; (20)
Е = 833,33'
1,4 + 0,817-Р
Уд
= 1167,03 + 680,83 - Руд, В / см. Е = 1167,03 + 680,83- Руд, В / см. (21) 3. 0,0668-в0-0012'* = 0,227в0'721 Руд (т = 180 с); 0,227- в0721 - РУд
„0,0012-Е
0,0668
Е= 833,33-ln ( 3,4- в0'721 - Руд ).
= 3,4 вРд
0,721 - Руд '
(22)
в
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Е = 833,33 •
1,22 + 0,721 • Р,
= 1019,81 + 600,83 • Р,
уд'
Уд
В / см.
Е = 1019,81 + 600,83• Руд, В/см. (23)
Итак, зная удельную мощность генератора с учетом скорости нагрева воска при разной продолжительности воздействия, можно оценить по формулам 19, 21, 23 напряженность электрического поля в резонаторе:
Е = 1630,83 + 482,5• Р^, В/см, (60 с);
Е = 1167,03 + 680,83 • , В / см (120 с);
Е = 1019,81 + 600,83 • Р^, В /см (180 с). (24)
Например,
1. При удельной мощности генератора Руд = 0,9 Вт/г, напряженность ЭП составит:
Е = 1630,83 + 482,5 • 0,9 = 2065,09 В / см (60 с);
Е = 1167,03 + 680,83 • 0,9 = 1779,77 В / см (120 с);
Е = 1019,81 + 600,83 • 0,9 = 1560,56 В / см (180 с).
2. При удельной мощности генератора Руд = 0,75 Вт/г, напряженность ЭП составит:
Е = 1630,83 + 482,5 • 0,75 = 1992,71В / см (60 с);
Е = 1167,03 + 680,83 • 0,75 = 1677,65 В / см (120 с);
Е = 1019,81 + 600,83-0,75 = 1470,43 В / см (180 с).
3. При удельной мощности генератора Руд = 0,6 Вт/г напряженность ЭП составит:
Е = 1630,83 + 482,5 • 0,6 = 1920,33 В / см (60 с);
Е = 1167,03 + 680,83 • 0,6 = 1575,53 В / см (120 с);
Е = 1019,81 + 600,83 • 0,6 = 1380,31 В / см (180 с).
В связи с тем, что скорость нагрева сырья в каждом промежутке времени меняется, весь период воздействия был разделен на три периода (60 с, 120 с, 180 с) и по каждому из них получены зависимости скорости нагрева сырья от удельной мощности генератора (формулы 17). Вычислены влияния напряженности ЭП на удельную мощность генератора:
Р^ =(Е-1630,83)/482,5, Вт /см3 (60 с);
Р^ = (Е -1167,03) / 680,83, Вт / см3 (120 с);
Р^ = (Е-1019,81)/600,83, Вт / см3 (180 с). (25)
Зная удельную мощность генератора с учетом скорости нагрева воска при разной продолжительности воздействия, построены графики (рис. 7) и оценена напряженность ЭП в резонаторе. Выражения, описывающие зависимость удельной мощности от напряженности ЭП при разных скоростях нагрева сырья:
Р^ = 4,13 • 1п (Е /1660,9), (60 с);
Р^ = 2,46 • 1п (Е /1235,4), (120 с);
Р^ = 2,44 • 1п (Е /1080,5), (180 с). (26)
Напряженность ЭП, В/см / Electromagnetic field strength, V/cm ooooooooo ooooooooo o
- 1 Or 4».3x
V (W fl
19 >»92 ,7
19 »o 33
1 779 ,7 7
V - 1 >3' 4 eo,4
16 77 ,62
1 57 5 5 3
156 io 6
V - 1 >81 > 5 eo,4 o91> 60 с
14' /» 3 — 12 0 с
1 38 o 3 1 b— 1 П n
5 У o 'де 6 ль ная м IQD o но 7 ст ь, В т /г / o Sp 8 ec fic po we o r, 9 W/ g
Рис. 7. Взаимосвязь напряженности ЭП в резонаторе и удельной мощности генератора при продолжительности воздействия на воск: 60 с, 120 с, 180 с Fig. 7. Relationship between the electric field strength in the resonator and the specific generator power at the duration of exposure to wax: 60 s, 120 s, 180 s Источник: разработано авторами по результатам экспериментальных и теоретических исследований
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
Для наглядного сопоставления полученных напряженности ЭП, продолжительности воздей-результатов построена номограмма, учитывающая ствия, скорости нагрева (рис. 8). взаимосвязь удельной мощности генератора,
0,8
0,7
(D
а
«
И 0,6
cd CJ
X
0,5
О
сз
5 0,4
6 ,
л и
Л
H о о
а
§
О
0,0668
0,6
73
0,58
0,3
12
0 c
180 c
0,36
29
0,33
y
0
2268e
0,720
7x
0,2
Ск
орост
на
ирева
2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 0 0,55
Напряженность ЭП, В/см / Electromagnetic field strength, V/cm
0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 Удельная мощность СВЧ-генератора, Вт/г / Specific power of the microwave generator, W/g
y
0
Рис. 8. Номограмма, учитывающая взаимосвязь удельной мощности генератора, напряженности ЭП, продолжительности воздействия, скорости нагрева Fig. 8. Nomogram taking into account the relationship of specific power generator, electric field strength, duration of exposure, heating rate Источник: разработано авторами по результатам экспериментальных и теоретических исследований
Заключение
В результате анализа проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что в разработанных полусферических резонаторах возбуждается ЭМПСВЧ с напряженностью достаточной, чтобы обеспечить необходимую ско-
рость вытопки воска из сырья. При этом напряженность ЭП в сырье в зависимости от удельной мощности генератора (0,6-0,9 Вт/г) в процессе воздействия в течение (60-180 с) и изменения скорости нагрева (0,3-0,7 °С/с) изменяется от 1380 до 2065 В/см.
Примечания:
1 Рогов И. А., Адаменко В. Я., Некрутман С. В. и др. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов : Справочник / Под ред. И. А. Рогова. М. : Лег. и пищ. пром-сть, 1981. 286 с.
2 Гинзбург А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М. : Агропромиздат, 1985. 335 с.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Оськин С. В., Овсянников Д. А. Способы повышения производительности труда в пчеловодстве // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 97. С. 442-452.
2. Чепик А. Г., Некрашевич В. Ф., Мамонов Р. А. и др. Повышение эффективности пчеловодства с использованием инновационных технологий (на примере получения перги) : Монография. Рязань, 2014. 239 с.
3. Шевелев А. В., Новикова Г. В., Просвирякова М. В., Михайлова О. В., Сторчевой В. Ф., Жужин М. С., Кондраненкова Т. Е. Патент № 2770496 РФ. Установка СВЧ непрерывно-поточного действия с полусферическими резонаторами для вытопки пасечного воска с отделением меда. Заявка № 2021127581 от 21092021, опубл. 18.04.2022. Бюл. № 11.
4. Максимов Е. Г., Сергеева Е. Ю. СВЧ-установка для вытопки пасечного воска // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. 2013. № 4-2 (80). С. 116-119.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
5. Сергеева E. Ю., Максимов Е. Г., Белов А. А. Технология вытопки пасечного воска эндогенным нагревом // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. 2013. № 2 (78). С. 130-133.
6. Максимов Е. Г., Новикова Г. В., Белова М. В., Сергеева Е. Ю. Патент на изобретение RU 2529701 C1, 27.09.2014. СВЧ-установка для вытопки пасечного воска / Заявка № 2013120582/13 от 06.05.2013. Опубл. 27.08.2014. Бюл. 27.
7. Дунаева Т. Ю., Фокин А. Н. Переработка забруса в микроволновой печи // Пчеловодство. 2011. № 8. С. 54-56.
8. Киреев Ю. В., Киреев А. Ю., Гнатенко Г. Г. Технология переработки воска c применением энергии электромагнитного поля СВЧ-диапазона // Исследовано в России. Т. 7. 2004. С. 1109-1115.
9. Лузгин Н. Е., Утолин В. В., Нагаев Н. Б., Лузгина Е. С., Грунин Н. А. Результаты изучения свойств пчелиного воска // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П. А. Ко-стычева. 2017. № 1 (33). С. 80-85.
10. Каширин Д. Е., Куприянов А. В. Исследование некоторых прочностных характеристик восковой основы пчелиных сотов // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. № 8. 2011. С. 199-202.
11. Бышов Н. В., Бышов Д. Н., Каширин Д. Е., Успенский И. А., Павлов В. В. Исследование процесса получения воска из воскового сырья различного качества // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. № 6. 2015. С. 145-149.
12. Некрашевич В. Ф., Рогов A. A. Исследования процесса вытопки воска // Интенсивные технологии производства продуктов пчеловодства, их переработка и применение. Рыбное. 2007. С. 79-81.
13. Некрашевич В. Ф., Нагаев Н. Б., Мамонов Р. А., Лузгин Н. Е., Грунин Н. А., УрляповМ. В. Определение теплофизических характеристик воскового сырья // Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. 2014. С. 137-142.
14. Некрашевич В. Ф., Нагаев Н. Б., Грунин Н. А. Исследование адгезионных и пластических свойств воска // Актуальные проблемы агроинженерии и их инновационные решения. 2013. С. 54-57.
15. Некрашевич В. Ф., Лузгин Н. Е., Нагаев Н. Б., Грунин Н. А., Урляпов М. В., Ушаков А. И., Водяков В. Н. Исследование теплофизических и реологических свойств воскового сырья и воска // Исследования молодых ученых - аграрному производству. 2015. С. 102-110.
16. Белова М. В. Разработка сверхвысокочастотных установок для термообработки сельскохозяйственного сырья : автореферат диссертации ... доктора технических наук. Москва, 2016. 16 с.
17. Жданкин Г. В., Михайлова О. В., Новикова Г. В. СВЧ установка с ячеистыми барабанами для термообработки непищевых отходов убоя животных // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства. 2019. № 21. С. 565-568.
18. Зуева Н. А. Установка для обработки кишечного сырья убойных животных с применением УЗ и СВЧ генераторов: автореферат диссертации ... кандидата технических наук. М. : ГНУ ВИЭСХ ФАНО, 2014. 20 с.
19. Бунин Е. С., Калашников Г. В., Макеев С. В. Сравнительный анализ пищевой и кормовой ценности семян рапса, высушенных конвективным способом и с помощью СВЧ-энергоподвода в закрученном потоке теплоносителя // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2020. Т. 82. № 3. С. 32-38. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-3-32-38
20. Вендин С. В., Трубаев П. А. К расчету напряженностей электромагнитного поля при СВЧ обработке диэлектрических плоскослоистых объектов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2013. № 6. С. 215-218.
Дата поступления статьи в редакцию 28.03.2022, одобрена после рецензирования 25.04.2022;
принята к публикации 27.04.2022.
Информация об авторах: А. В. Шевелев - соискатель ученой степени, Spin-код: 8308-0752;
М. С. Жужин - к.т.н., доцент кафедры « Электрификация и автоматизация», Spin-код: 2880-9232;
Е. А. Сбитнев - старший преподаватель кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»,
Spin-код: 7941-2535.
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
Заявленный вклад авторов: Шевелев А. В. - выполнение расчетов, анализ и дополнение текста статьи. Жужин М. С. - сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста. Сбитнев Е. А. - поиск аналитических материалов в отечественных и зарубежных источниках; подготовка литературного обзора; критический анализ и доработка текста.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Os'kin S. V., Ovsyannikov D. A. Sposoby povysheniya proizvoditel'nosti truda v pchelovodstve [Ways to increase labor productivity in beekeeping], Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta [Polythematic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University], 2014, No. 97, pp. 442-452.
2. Chepik A. G., Nekrashevich V. F., Mamonov R. A. i dr. Povyshenie effektivnosti pchelovodstva s ispol'zovaniem innovacionnyh tekhnologij (na primere polucheniya pergi) [Improving the efficiency of beekeeping using innovative technologies (on the example of obtaining perga)], Monograph, Ryazan', 2014, 239 p.
3. Shevelev A. V., Novikova G. V., Prosviryakova M. V., Mihajlova O. V., Storchevoj V. F., Zhuzhin M. S., Kondranenkova T. E. Patent No. 2770496 RF. Ustanovka SVCH nepreryvno-potochnogo dejstviya s polusferiches-kimi rezonatorami dlya vytopki pasechnogo voska s otdeleniem meda [Installation of continuous-flow microwave with hemispherical resonators for heating beeswax with honey separation], Zayavka No. 2021127581 ot 21092021, opubl. 18.04.2022, Byul. No. 11.
4. Maksimov E. G., Sergeeva E. Yu. SVCH-ustanovka dlya vytopki pasechnogo voska [Microwave installation for heating beeswax], Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta im. I. Ya. Yakovleva [Bulletin of the I. Ya. Yakovlev Chuvash State Pedagogical University], 2013, No. 4-2 (80), pp. 116-119.
5. Sergeeva E. Yu., Maksimov E. G., Belov A. A. Tekhnologiya vytopki pasechnogo voska endogennym nagrevom [Technology of melting beeswax by endogenous heating], Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo peda-gogicheskogo universiteta im. I. Ya. Yakovleva [Bulletin of the I. Ya. Yakovlev Chuvash State Pedagogical University], 2013, No. 2 (78), pp. 130-133.
6. Maksimov E. G., Novikova G. V., Belova M. V., Sergeeva E. Yu. Patent na izobretenie RU 2529701 C1, 27.09.2014. SVCH-ustanovka dlya vytopki pasechnogo voska [Microwave installation for heating beeswax], Zayavka No. 2013120582/13 ot 06.05.2013, Opubl. 27.08.2014, Byul. 27.
7. Dunaeva T. Yu., Fokin A. N. Pererabotka zabrusa v mikrovolnovoj pechi [Processing of zabrus in a microwave oven], Pchelovodstvo [Beekeeping], 2011, No. 8, pp. 54-56.
8. Kireev Yu. V., Kireev A. Yu., Gnatenko G. G. Tekhnologiya pererabotki voska c primeneniem energii el-ektromagnitnogo polya SVCH-diapazona [Technology of wax processing with the use of electromagnetic field energy of the microwave range], Issledovano v Rossii [Researched in Russia], Vol. 7, 2004, pp. 1109-1115.
9. Luzgin N. E., Utolin V. V., Nagaev N. B., Luzgina E. S., Grunin N. A. Rezul'taty izucheniya svojstv pche-linogo voska [Results of studying the properties of beeswax], Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnolog-icheskogo universiteta im. P. A. Kostycheva [Bulletin of the Ryazan State Agrotechnological University named after P. A. Kostychev], 2017, No. 1 (33), pp. 80-85.
10. Kashirin D. E. Kupriyanov A. V. Issledovanie nekotoryh prochnostnyh harakteristik voskovoj osnovy pchelinyh sotov [Investigation of some strength characteristics of the wax base of honeycombs], Vestnik Krasnoyar-skogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Krasnoyarsk State Agrarian University], No. 8, 2011, pp.199-202.
11. Byshov N. V., Byshov D. N., Kashirin D. E., Uspenskij I. A., Pavlov V. V. Issledovanie processa polu-cheniya voska iz voskovogo syr'ya razlichnogo kachestva [Investigation of the process of wax production from wax raw materials of various quality], Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Krasnoyarsk State Agrarian University], No. 6, 2015, pp. 145-149.
12. Nekrashevich V. F., Rogov A. A. Issledovaniya processa vytopki voska [Studies of the wax melting process], Intensivnye tekhnologii proizvodstva produktov pchelovodstva, ih pererabotka i primenenie [Intensive technologies for the production of bee products, their processing and application], Rybnoe, 2007, pp. 79-81.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
13. Nekrashevich V. F., Nagaev N. B., Mamonov R. A., Luzgin N. E., Grunin N. A., Urlyapov M. V. Opre-delenie teplofizicheskih harakteristik voskovogo syr'ya [Determination of thermophysical characteristics of wax raw materials], Sovremennye energo- i resursosberegayushchie, ekologicheski ustojchivye tekhnologii i sistemy sel'sko-hozyajstvennogo proizvodstva [Modern energy- and resource-saving, environmentally sustainable technologies and agricultural production systems], 2014, pp. 137-142.
14. Nekrashevich V. F., Nagaev N. B., Grunin N. A. Issledovanie adgezionnyh i plasticheskih svojstv voska [Investigation of adhesive and plastic properties of wax], Aktual'nyeproblemy agroinzhenerii i ih innovacionnye resh-eniya [Actualproblems of agroengineering and their innovative solutions], 2013, pp. 54-57.
15. Nekrashevich V. F., Luzgin N. E., Nagaev N. B., Grunin N. A., Urlyapov M. V., Ushakov A. I., Vod-yakov V. N. Issledovanie teplofizicheskih i reologicheskih svojstv voskovogo syr'ya i voska [Investigation of thermophysical and rheological properties of wax raw materials and wax], Issledovaniya molodyh uchenyh - agrarnomu pro-izvodstvu [Research of young scientists on agricultural production], 2015, pp. 102-110.
16. Belova M. V. Razrabotka sverhvysokochastotnyh ustanovok dlya termoobrabotki sel'skohozyajstvennogo syr'ya [Development of ultra-high-frequency installations for heat treatment of agricultural raw materials. Dr. Sci. (Engineering) thesis], Moscow, 2016, 16 p.
17. Zhdankin G. V., Mihajlova O. V., Novikova G. V. SVCH ustanovka s yacheistymi barabanami dlya termoobrabotki nepishchevyh othodov uboya zhivotnyh [Microwave installation with cellular drums for heat treatment of non-food waste of animal slaughter], Aktual'nye voprosy sovershenstvovaniya tekhnologii proizvodstva i pererabot-ki produkcii sel'skogo hozyajstva [Topical issues of improving the technology ofproduction and processing of agricultural products], 2019, No. 21, pp. 565-568.
18. Zueva N. A. Ustanovka dlya obrabotki kishechnogo syr'ya ubojnyh zhivotnyh s primeneniem UZ i SVCH generatorov [Installation for processing intestinal raw materials of slaughtered animals using ultrasound and microwave generators. Dr. Sci. (Engineering) thesis], Moscow: GNU VIESKH FANO, 2014, 20 p.
19. Bunin E. S., Kalashnikov G. V., Makeev S. V. Sravnitel'nyj analiz pishchevoj i kormovoj cennosti semyan rapsa, vysushennyh konvektivnym sposobom i s pomoshch'yu SVCH-energopodvoda v zakruchennom potoke tep-lonositelya [Comparative analysis of the food and feed value of rapeseed dried by convective method and using microwave power supply in a swirling coolant flow], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2020, Vol. 82, No. 3, pp. 32-38. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-3-32-38
20. Vendin S. V., Trubaev P. A. K raschetu napryazhennostej elektromagnitnogo polya pri SVCH obrabotke dielektricheskih ploskosloistyh ob"ektov [To the calculation of electromagnetic field strengths during microwave processing of dielectric plane-layered objects], VestnikBelgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V. G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov], 2013, No. 6, pp.215-218.
The article was submitted 28.03.2022; approved after reviewing 25.04.2022; accepted for publication 27.04.2022.
Information about the authors: A. V. Shevelev - applicant for an academic degree, Spin-code: 8308-0752;
M. S. Zhuzhin - Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department «Electrification and Automation», Spin-code: 2880-9232;
E. A. Sbitnev - senior lecturer of the Department «Infocommunication Technologies and Communication Systems», Spin-code: 7941-2535.
Contribution of the authors: Shevelev A. V. - performing calculations, analyzing and supplementing the text. Zhuzhin M. S. - collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text. Sbitnev E. A. - search for analytical materials in domestic and foreign sources; preparation of a literary review; critical analysis and revision of the text.
The authors declare no conflicts of interest.
