CC BY
2
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Научная статья УДК 621.385.6
Б01: 10.24412/2227-9407-2023-8-33-43
Исследование и обоснование параметров СВЧ-установки, реализующей ресурсосберегающую технологию термообработки мясных отходов
Евгений Викторович Воронов
Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия e_voronov@list.т, https://orcid.org/0000-0002-9867-5860
Введение. В цехах по переработке мясного сырья накапливаются до 25 % отходов от общей массы туш забиваемых животных. Используя волчки-варильники, из указанных отходов производят белковый корм, расходуя в большом количестве пар и электроэнергию. Разработана установка с СВЧ-энергоподводом, позволяющая снизить эксплуатационные затраты на производство белкового корма и сохранить его кормовую ценность. Материалы и методы. При конструировании СВЧ-установки проанализированы основные закономерности диэлектрического нагрева мясных отходов, на основе которых определены параметры и конструктивные особенности установки.
Результаты и обсуждение. Решается научная проблема - низкая энергоэффективность установок для термообработки вторичного сырья животного происхождения за счет совмещения процессов измельчения и эндогенного нагрева в биконическом резонаторе. Внутренняя поверхность биконического резонатора представляет собой замедляющую структуру с ножевыми гребенками, выполняющими функцию дек. Соосно расположенные колеса с абразивными ободками и с зазубренными ступицами в резонаторе поярусно располагаются на электроприводном валу. Колеса за счет центробежной силы обеспечивают многократный удар сырья о деки и тонкое измельчение при перемещении по ярусам в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. Установка содержит вертикально расположенный биконический резонатор, собранный из усеченных конусов с общим круглым основанием и с внутренней поверхностью, выполненной в виде неферромагнитных ножевых гребенок. В пазах гребенок перемещаются абразивные ободки колес с диэлектрическими зазубренными полотнами. На малых основаниях усеченных конусов расположены загрузочная и приемная емкости с винтовыми шнеками. Диэлектрические полотна в поярусно расположенных колесах не перекрывают друг друга. Заключение. При расчете и конструировании объемного резонатора установки с СВЧ-энергоподводом решались несколько задач. Первая задача - согласование рабочей полосы частот резонатора и генератора за счет изменения конфигурации и размеров резонатора в соответствии с длиной волны и электрофизическими параметрами сырья. Вторая задача - равномерный нагрев многокомпонентного сырья путем измельчения и завихрения частиц в процессе перемещения вдоль биконического резонатора с внутренней гребенчатой замедляющей системой, позволяющей концентрировать энергию ЭМП в сырье. Третья задача - согласование частоты вращения ротора-измельчителя с силой удара о рабочие органы, скоростью движения измельченного сырья вдоль резонатора и продолжительностью термообработки. Четвертая задача - обеззараживание сырья в непрерывном режиме за счет высокой напряженности электрического поля в установке без дополнительного экранирующего корпуса, с соблюдением правил электромагнитной безопасности, за счет использования неферро-
4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Аннотация
© Воронов Е. В., 2023
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
XXXXXXXXX electrical technologies, electrical equipment XXXXXXXXX XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
магнитных винтовых шнеков на уровне критического сечения конических частей резонатора. Пятая задача -обоснование собственной добротности биконического резонатора (не менее 6000) для обеспечения КПД на уровне 0,7 при производительности установки 70-100 кг/ч и удельной мощности генератора 0,5 кВт/кг.
Ключевые слова: глубина проникновения волны, измельченное мясное сырье, непрерывный режим, ножевые гребенки-деки, ротор-измельчитель, фактор диэлектрических потерь
Для цитирования: Воронов Е. В. Исследование и обоснование параметров СВЧ-установки, реализующей ресурсосберегающую технологию термообработки мясных отходов // Вестник НГИЭИ. 2023. № 8 (147). С. 33-43. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-8-33-43
Research and justification of parameters for a microwave setup implementing a resource-saving technology for heat treatment of meat waste
Evgeny V. Voronov
Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, Knyaginino, Russia e_voronov@list.ru, https://orcid.org/0000-0002-9867-5860
Abstract
Introduction. In meat processing plants, up to 25 % of waste is generated from the total weight of slaughtered animals. Protein feed is produced from these waste materials using steam cookers, but this process consumes a large amount of steam and electricity. A microwave setup has been developed with energy supply, which allows reducing operating costs for the production of protein feed and preserving its nutritional value.
Materials and methods. When designing the microwave setup, the main patterns of dielectric heating of meat waste were analyzed, based on which the parameters and structural features of the setup were determined. Results and discussion. The scientific problem of low energy efficiency of installations for thermal processing of secondary animal raw materials is solved by combining the processes of grinding and endogenous heating in a biconi-cal resonator. The inner surface of the biconical resonator is a slowing-down structure with knife combs that function as a deck. Coaxially arranged wheels with abrasive rims and serrated hubs are sequentially placed on an electrically driven shaft in the resonator. The wheels, due to centrifugal force, provide multiple impacts of the raw material on the decks and fine grinding while moving through the levels in an electromagnetic field of ultra-high frequency. The installation contains a vertically arranged biconical resonator assembled from truncated cones with a common circular base and an inner surface made in the form of non-ferromagnetic knife combs. Abrasive rims with dielectric serrated blades move in the slots of the combs. Loading and receiving containers with screw conveyors are located on the small bases of the truncated cones. The dielectric blades in the sequentially arranged wheels do not overlap each other. Conclusion. When calculating and designing the volumetric resonator of the installation with microwave power supply, several tasks were solved. The first task was to match the operating frequency band of the resonator and the generator by changing the configuration and size of the resonator according to the wavelength and electro-physical parameters of the raw material. The second task was to achieve uniform heating of the multi-component raw material by grinding and swirling particles during movement along the biconical resonator with an internal comb slowing-down system, which allows concentrating the electromagnetic energy in the raw material. The third task was to match the rotation speed of the grinding rotor with the impact force on the working elements, the speed of movement of the ground raw material along the resonator, and the duration of thermal processing. The fourth task was to disinfect the raw material in continuous mode using a high electric field intensity in the installation without an additional shielding enclosure, while adhering to electromagnetic safety rules by using non-ferromagnetic screw conveyors at critical cross-sections of the conical parts of the resonator. The fifth task was to justify the intrinsic quality factor of the biconical resonator (not less than 6000) to achieve an efficiency level of 0.7 with a production capacity of 70-100 kg/h and a specific power of the generator of 0.5 kW/kg.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Keywords: chopper rotor, knife combs, soundboard, dielectric loss factor, wave penetration depth, shredded meat raw materials, continuous-flow action
For citation: Voronov E. V. Research and justification of parameters for a microwave setup implementing a resource-saving technology for heat treatment of meat waste // Bulletin NGIEI. 2023. № 8 (147). P. 33-43. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-8-33-43
Введение
На предприятиях мясной промышленности накапливается сырье, непригодное в пищу и отбракованное при ветеринарной экспертизе. Боенские отходы составляют примерно 25 % от общей массы туш забиваемых животных. Из них в основном производят белковый корм [1]. Такое сырье в цехе технических фабрикатов обеззараживают и перерабатывают на корма для животных. При этом мягкое жиросодержащее сырье измельчают (резанием в машинах-волчках), после чего проводят термическую обработку. Конвективный нагрев (непосредственный контакт сырья с острым паром) и кондук-тивный нагрев (контакт сырья с нагретой глухим паром стенкой). Применяют также аппараты непрерывного действия, в том числе шнековые, барабанные, роторные и комбинированные, совмещающие термообработку и измельчение. Это волчки-варильники, измельчители-плавители различных конструкций. В них высокая интенсивность теплообмена достигается путем совмещения процессов измельчения сырья в центробежном поле и нагрева острым паром при температуре 125 °С [2]. Известно, что удельная теплота, необходимая для термообработки, не зависит от способа подвода энергии, но продолжительность достижения необходимых температур в сырье определяется: видом подвода энергии (эндогенный, конвективный, кондуктив-ный), размерами частиц сырья и его электрофизическими параметрами. Для снижения эксплуатационных затрат измельчение сырья следует совмещать с термообработкой в рабочей камере с сверхвысокочастотным энергоподводом, что и предусмотрено в разработанной установке.
Научная проблема - низкая энергоэффективность установок для термообработки вторичного сырья животного происхождения решается путем совмещения измельчения и эндогенного нагрева в биконическом резонаторе с ротором-измельчителем, где внутренняя поверхность резонатора выполняет функции деки и замедляющей системы электромагнитного поля, с учетом электрофизических свойств сырья.
Решаются следующие научные задачи:
1. Проанализировать зависимость глубины проникновения волны сантиметрового диапазона (2450 МГц, 12,24 см) мясного сырья от температуры.
2. Проанализировать продолжительность варки мясного сырья разных видов животных и птиц при рациональной мощности генератора для работы в условиях фермерских хозяйств.
3. Разработать 3D-модель радиогерметичной СВЧ-установки с биконическим резонатором и ротором-измельчителем для термообработки смешанного вторичного сырья в непрерывном режиме.
4. Обосновать основные конструкционно -технологические параметры установки.
Инновационная идея заключается в том, что внутренняя поверхность биконического резонатора представлена как гребенчатая замедляющая структура, где ножевые гребенки одновременно выполняют функцию дек, а соосно и поярусно расположенные на электроприводном валу колеса с абразивными ободками и с зазубренными полотнами, за счет центробежной силы, обеспечивают многократный удар сырья о деки и тонкое измельчение при вращении и перемещении по ярусам в электромагнитном поле сверхвысокой частоты.
Материалы и методы
При конструировании СВЧ-установки анализированы основные закономерности, свойственные диэлектрическому нагреву, так как они определяют параметры и конструктивные особенности установки. Результаты исследования электродинамических параметров системы с биконическим резонатором, внутренняя поверхность которого представлена как гребенчатая замедляющая система, получены в программе CST Microwave Studio 2018 трехмерным моделированием объемного резонатора, выполненного с помощью программ SolidWorks, Компас 3DV20.
Результаты и обсуждение
Сырье обладает электрофизическими свойствами - электропроводностью, диэлектрической проницаемостью, фактором диэлектрических потерь. При воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты в сырье проявляются ди-
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
польные поляризационные эффекты, обеспечивающие нагрев сырья [3].
Температурный режим термообработки регулируется в зависимости от влажности и вида вторичного биологического сырья, обладающего разной глубиной проникновения волны в сантиметровом диапазоне. С повышением температуры глубина проникновения волны изменяется, так как изменяются значения диэлектрической проницаемости, фактора потерь и проводимости сырья (См/м). Зависимость глубины (А, мм) проникновения ЭМП при длине волны 12,24 см от температуры для разного вида сырья приведена на рис. 1.1
Глубина проникновения ЭМП в замороженные продукты намного больше, чем при плюсовых температурах (рис. 2). Объясняется это снижением диэлектрических потерь и проводимости в области отрицательных температур. Зависимость глубины проникновения (А, см) ЭМПСВЧ в мышечную ткань говядины от температуры (Т, 0С) описывается эмпирическим выражением:
А = 2,2-е"0'0б1'Т . (1)
С учетом анализа глубины проникновения и продолжительности термообработки смешанного
вторичного сырья животного происхождения разработано конструкционное исполнение СВЧ-установки с биконическим резонатором, позволяющее пропустить 12 кг (0,012 м3) сырья через рабочую камеру за 10 мин. при мощности генератора 6 кВт, при этом объем биконического резонатора составит 0,151 м3.
—
V = --п-h •( R2 + R • r + r2)
= ^ • 3,14-1,224 •(0,21422 + 0,2142 • 0,05 + 0,052 )= (2) = 0,151 м\
где R — радиус большого основания (0,2142 м); г -радиус малого основания (0,05 м); h - высота бико-нуса (1,224 м).
Площадь поверхности биконуса равна 2,56 м .
5 = 2 -л •[( Я + г )• I + г + Я ] = = 2 • 3,14 • [( 0,2142 + 0, 05) • 0,65 + 0,05 + 0,2] = (3)
= 2,65 м2,
где l - длина образующей усечённого конуса (0,63 м).
Рис. 1. Зависимость глубины проникновения ЭМПСВЧ в разное мясное сырье от температуры Fig. 1. The dependence of the depth of penetration of EMPH into various meat raw materials on temperature
Источник: разработано автором на основании данных
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
Рис. 2. Зависимость глубины проникновения ЭМПСВЧ в мышечную ткань говядины от температуры Fig. 2. The dependence of the depth of penetration of EMPH into the muscle tissue of beef on temperature Источник: разработано автором на основании данных
Рис. 3. Продолжительность варки сырья при мощности генератора, равной 0,5 Вт/г: 1 — субпродукты птичьи; 2 — печень говяжья; 3 - свинина, куриное мясо; 4 - говядина, индейка; 5 - утиное и гусиное мясо; 6 - почки говяжьи; 7 — вымя говяжье; 8 - сердце говяжье Fig. 3. The duration of cooking raw materials, with a generator power equal to 0.5 W/g: 1 — poultry offal; 2 — beef liver; 3 - pork, chicken meat; 4 - beef, turkey; 5 - duck and goose meat; 6 - beef kidneys; 7 — beef udder; 8 - beef heart Источник: разработано автором на основании данных 1
Проанализирована продолжительность варки разного вида мясного сырья при мощности генератора, равной 0,5 Вт/г (рис. 3). В среднем можно считать, что смешанное сырье сварится за 10 мин.
Полый биконус закороченный неферромагнитными стенками, во внутрь которого направлены излучатели через волноводы, обладает резонансными свойствами и представляет СВЧ-резонатор [4; 5]. Основными характеристиками резонатора являются резонансная частота, активная проводимость (о), собственная добротность (^). Генераторы и бико-нический резонатор, где происходит воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сырье, представляют электродинамическую систему (ЭД). Система должна обеспечивать необходимую мощность и структуру ЭМП; реализацию режимов
технологического процесса (определенной напряженности электрического поля и достижение необходимой температуры в сырье); исключить излучение ЭМП через отверстия, предназначенные для загрузки и выгрузки сырья при непрерывном режиме работы; резонатор должен обладать достаточной собственной добротностью. Величина собственной добротности характеризует отношение энергии, накопленной в резонаторе, к энергии, рассеянной в резонаторе за период колебаний [6; 7]. Ее можно вычислить как отношение двойного объема резонатора к его площади поверхности с учетом толщины поверхностного слоя по формуле 4. Расчеты показывают, что собственная добротность биконическо-го резонатора с проектируемыми размерами составляет 6625.
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
2 — n-h-(R2 + Rr + r2)
Q =
3
2-V
A -S ~A -2-n-17 R + r)-1 + r + R~]~ (4)
скин скин |_\ / J v '
2 °'151 = 6625,
1,72- 105 2,65 где Аскин - толщина скин-слоя, м.
Существуют ЭД замедляющие системы, в которых длина электромагнитной волны значительно меньше, чем длина волны в свободном пространстве. На единицу длины резонатора в них приходится большее число длин волн, чем в обычных резонаторах, соответственно большая плотность энергии электромагнитного поля. Поэтому при одинаковой мощности СВЧ-генератора в замедляющих системах можно получить тот же эффект нагрева, что и в резонаторе, но при значительно меньшей длине системы 2. Фрагмент внутренней поверхности бикони-ческого резонатора с ножевыми гребенками с толщиной зуба (а?) и шагом (а) представлен на рис. 4.
Рис. 4. Фрагмент внутренней поверхности
биконического резонатора с ножевыми гребенками с толщиной зуба (d) и шагом (а) Fig. 4. Fragment of the inner surface of a biconic resonator with knife combs with tooth thickness (a) and pitch (b) Источник: разработано автором на основании собственных исследований
Это гребенчатая замедляющая структура, где шаг гребенки (а = 9,18 см) меньше по сравнению с длиной волны (X = 12,24 см), а толщина и высота (3,06 см) ножевой гребенки меньше величины шага (а). Электрическое поле поверхностной волны над гребенками имеет экспоненциально убывающий характер. Пазы между ножевыми гребенками можно рассматривать как закороченные на конце отрезки плоского волновода длиной, равной высоте гребенки. Для существования поверхностной волны необходимо, чтобы высота ножевых гребенок была менее четверти длины волны (< 3,06 см).Коэффициент замедления - это отношение фазовой скорости (9ф) к скорости света (с), его можно примерно вычислить как отношение шага ножевых гребенок (а) к
переменному по высоте резонатора периметру би-конуса [8]:
Зф /с = а/2-л-Я, (5)
где R изменяется до г.
С учетом всех рассчитанных размеров разработана установка с СВЧ-энергоподводом в бикони-ческий резонатор для измельчения и термообработки многокомпонентных мясных отходов (рис. 5). Она содержит вертикально расположенный неферромагнитный биконический резонатор 4 в виде усеченных конусов с общим основанием круглого сечения и с внутренней поверхностью, выполненной в виде неферромагнитных ножевых гребенок 5, высотой менее, чем четверть длины волны, и шагом, равным половине длины волны. В пазах гребенок 5 перемещаются абразивные ободки 10 колес 6 с диэлектрическими полотнами 11 , зазубренными с двух сторон, и ступицами 12. Колеса с помощью диэлектрических пальцев 13 поярусно закреплены на диэлектрическом электроприводном валу 3. Они расположены соосно в биконическом резонаторе 4. На малых основаниях усеченных конусов расположены загрузочная 1 и приемная 9 емкости с неферромагнитными винтовыми шнеками 2 и 8. Отверстия для диэлектрических пальцев 13 по высоте вала 3 сдвинуты так, что диэлектрические полотна 11 в поярусно расположенных колесах не перекрывают друг друга. Волноводы с магнетронами 7 расположены по периметру поверхности биконического резонатора 4, со сдвигом на 120 градусов, через равные промежутки по высоте.
Частицы вторичного сырья животного происхождения в результате вращения колес и воздушного потока, создаваемого быстровращающимся рабочим органом, вовлекаются во вращательное движение, что приводит к их тонкому измельчению в процессе воздействия ЭМПСВЧ.
Для эффективной работы установки с бико-ническим резонатором необходимо, чтобы ротор-измельчитель был тщательно отбалансирован. Подача сырья с помощью винтового шнека в резонатор должна быть равномерной. Качество измельчения весьма чувствительно к скорости вращения ротора-измельчителя (150-200 об/мин) и ее надо регулировать. Регулярно следует проверять состояние рабочих деталей ротора-измельчителя и ножевых гребенок. Степень измельчения сырья должна быть более высокой, размеры отдельных кусков должны быть уменьшены до 0,5-1,5 см, тогда продолжительность термообработки уменьшается.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
а/а б/b в/c г/g д/d
Рис. 5. Установка с СВЧ-энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения: а) общий вид в разрезе с позициями; б) биконический резонатор (наружная поверхность); в) биконический резонатор (внутренняя поверхность); г) ротор-измельчитель с колесами; д) диэлектрическое колесо; 1 - неферромагнитная загрузочная емкость; 2 - электроприводной неферромагнитный шнек для загрузки; 3 - диэлектрический вал, соединенный с валом электродвигателя;
4 - неферромагнитный биконический резонатор; 5 - неферромагнитные ножевые гребенки;
6 - диэлектрические колеса; 7 - магнетроны воздушного охлаждения с волноводами; 8 - выгрузной электроприводной неферромагнитный шнек; 9 - приемная неферромагнитная емкость;
10 - ободки из абразивного материала; 11 - диэлектрические полотна;
12 - диэлектрические ступицы; 13 - диэлектрические пальцы Fig. 5. Installation with a microwave power supply to a biconic resonator for grinding and heat treatment of secondary raw materials of animal origin: a) general view in section with positions; b) biconic resonator (outer surface); c) biconic resonator (inner surface); g) chopper rotor with wheels; d) dielectric wheel; 1 - a non-ferromagnetic loading tank; 2 - an electrically driven non-ferromagnetic screw for loading; 3 - a dielectric shaft connected to electric motor shaft; 4 - non-ferromagnetic biconic resonator; 5 - non-ferromagnetic knife combs; 6 - dielectric wheels; 7 - air-cooled magnetrons with waveguides; 8 - discharge electric non-ferromagnetic auger; 9 - receiving non-ferromagnetic container; 10 - rims made of abrasive material;
11 - dielectric cloths; 12 - dielectric hubs; 13 - dielectric fingers Источник: разработано автором под руководством научного консультанта
К достоинствам следует отнести: быстроту термообработки в непрерывном режиме; простоту конструкции; высокий термический КПД. Подача вторичного сырья должна быть такая, чтобы заполнение резонатора 20-25 % его вместимости при мощности генератора, равной 0,5 Вт/г (6 кВт/12 кг)
[9; 10].
Переход от плотного к разрыхленному слою интенсифицирует процесс термообработки многокомпонентного сырья за счет изменения структуры
слоя и значительного увеличения активной поверхности. При этом многокомпонентное сырье равномерно перемешивается и варится, поэтому такой способ считается перспективным [11].
Линейные размеры биконического резонатора в несколько раз превышают длину волны генератора, высота превышает в 10 раз, а диаметр большого основания усеченного конуса - в 3,5 раза. Поэтому, изменяя в небольших пределах параметры резонатора, в нем можно возбудить несколько собствен-
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
ных видов колебаний, имеющих различное расположение узлов и пучностей электрического поля, что существенно увеличит равномерность нагрева сырья [12; 13]. Изменение параметров резонатора в данной конструкции происходит также за счет вращающихся колес с абразивными ободками, выполняющими функции диссекторов. Колеса, расположенные вблизи ввода волны в резонатор (излучателей от магнетронов), изменяют фазу отраженной волны, что вызывает изменение частоты, генерируемой магнетроном. Это еще более увеличивает число видов колебаний в резонаторе, а следовательно, создает и более равномерное распределение электрического поля по объему резонатора [14; 15].
Увеличение равномерности нагрева сырья в бико-ническом резонаторе достигается, также возбуждая 6 магнетронами, работающими при частоте 2450 МГц, расположенными со сдвигом на 120 градусов для избежания перекачивания энергии из одного ввода в другой. При указанных соотношениях размеров биконического резонатора в нем возбуждается поле равномерным спектром частот.
Результаты исследования электродинамических параметров системы с биконическим резонатором, внутренняя поверхность которого представлена как гребенчатая замедляющая система, приведены на рис. 6.
6 7 8 9 10
Рис. 6. Электродинамические параметры системы с биконическим резонатором (мода 1): 1 - распределение ЭМП по координатам х, у, z; 2, 3 — напряженность электрического поля, В/м; 4, 5 — напряженность магнитного поля, А/м; 4 - напряженность магнитного поля с изображением гребенчатой поверхности резонатора, А/м; 6 — поверхностный ток А/м; 7 - Е-энергия электрической составляющей, Вт/м3;
8 - Е-энергия (электрической составляющей), в разрезе, Вт/м3; 9 — Н-энергия, Вт/м3; 10 — Н-энергия, в разрезе, Вт/м3 Fig. 2. The electromagnetic parameters of the system with a biconical resonator (mode 1) are as follows: 1 - distribution of electromagnetic fields in the coordinates x, y, z; 2, 3 - electric field intensity, V/m; 4, 5 - magnetic field intensity, A/m; 4 - magnetic field intensity with an image of the comb surface of the resonator, A/m; 6 - surface current, A/m; 7 - E-energy of the electric component, W/m3; 8 - E -energy (electric component), in cross-section, W/m3; 9 - H-energy, W/m3; 10 - H-energy, in cross-section, W/m3. Источник: составлено на основании собственных исследований
Электродинамические параметры исследованы в программе CST Microwave Studio 2018 трехмерным моделированием объемного резонатора, выполненного с помощью программ SolidWorks, Компас 3DV20 [16; 17; 18]. Визуализация распреде-
ления ЭМП в биконическом резонаторе и анализ величин электродинамических параметров показывают, что напряженность электрического поля составляет 1,5-4 кВ/см, а собственная добротность находится в пределах 6000.
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
Заключение
Итак, при расчете и конструировании объемного резонатора установки с СВЧ-энергоподводом решалось несколько задач. Первая задача, связанная с согласованием рабочей полосы частот резонатора и генератора, - управление конфигурацией и размерами резонатора в соответствии с длиной волны.
Вторая задача - возможность обеспечения равномерного нагрева многокомпонентного вторичного сырья путем измельчения и завихрения частиц в процессе перемещения вдоль биконического резонатора с внутренней гребенчатой замедляющей системой, позволяющей концентрировать энергию ЭМП в сырье.
Третья задача - согласование частоты вращения ротора-измельчителя с силой удара о рабочие
органы, скоростью движения измельченного сырья вдоль резонатора и продолжительностью термообработки.
Четвертая задача - обеззараживание сырья в непрерывном режиме за счет высокой напряженности электрического поля в установке без дополнительного экранирующего корпуса, с соблюдением правил электромагнитной безопасности, за счет использования неферромагнитных винтовых шнеков на уровне критического сечения конических частей резонатора. Пятая задача - обоснование собственной добротности биконического резонатора (не менее 6000) для обеспечения КПД на уровне 0,7 при производительности установки 70-100 кг/ч и удельной мощности генератора 0,5 кВт/кг.
Примечания:
1 Рогов И. А. и др. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. 288 с.
2 Азаров Б. М. Технологическое оборудование пищевых производств. М. : Агропромиздат, 1988. 463 с.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Файвишевский М. Л. Некоторые рекомендации по совершенствованию переработки непищевого сырья на мясокомбинатах // Мясные технологии. 2017. № 1 (169). С. 48-50.
2. Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. М. : Колос, 2001. 552 с.
3. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны : Учебное пособие. М. : ИН-ФРА-М, 2014. 375 с.
4. Баскаков С. И. Электродинамика и распространения волн. М. : URSS, 2012. 416 c.
5. Падусова Е. В., Шарангович С. Н. Расчет диэлектрических волноводов и объемных резонаторов. Томск, 2018. 103 с.
6. Дробахин О. О., Салтыков Д. Ю. Исследование возможности применения связанных биконических резонаторов для определения параметров диэлектрических материалов // Прикладная радиоэлектроника. 2014. Том 13. № 1. С. 63-69.
7. Дробахин О. О., Заболотный П. И., Привалов Е. Н. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами // Радиофизика и радиоастрономия. 2009. Т. 1. № 4. С.433-441.
8. Коломейцев В. А., Комаров В. В. Расчет параметров базовых элементов рабочих камер СВЧ нагревательных установок на волноводах сложной формы // Современные проблемы применения СВЧ энергии. Саратов : СГТУ. 1993. С. 61-62.
9. Жданкин Г. В., БеловаМ. В., Михайлова О. В. Патент № 2729151 РФ, МПК А23К10/26. Сверхвысокочастотная установка с биконическим резонатором и шнеком для варки отходов убоя животных / Заявитель и патентообладатель НГСХА (RU). № 2018112186; заявл. 5.02. 2018. Бюл. № 22 от 04.08.2020. 13 с.
10. Новикова Г. В., Жданкин Г. В. Михайлова О. В., Белов А. А. Анализ разработанных сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского ГАУ. 2016. № 4 (42). С. 89-93.
11. Belova M. V., Novikova G. V., Ershova I. G. Innovations in technologies of agricultural raw materials processing // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Т. 11. № 6. P. 1269-1277.
XXXXXXXXX electrical technologies, electrical equipment XXXXXXXXX XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
12. Гришина Е. М. Расчет установки для СВЧ обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами // Вестник Саратовского государственного технического университета. Т. 2. № 2с (66). 2012. С. 54-58.
13. Коломейцев В. А.,. Комаров В. В. Микроволновые установки с равномерным объемным нагревом. Часть 2. Саратов: СГТУ, 2006. 233 с.
14. Артюхов И. И., Земцов А. И. Направление совершенствования мультигенераторных СВЧ электротехнологических установок // Вестник Саратовский ГТУ. 2011. № 1 (54). Выпуск 3. С. 149-154.
15. Доценко А. В. Оптимизация параметров установки СВЧ-диэлектрического нагрева, работающей в периодическом режиме // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2006. № 40. С. 136-138.
16. Фатеев А. В. Применение по CST Microwave Studio для расчета микроволновых антенн и устройств СВЧ. Томск, 2014. 120 с.
17. Хасанов А. С. Анализ электромагнитных полей с использованием среды CST Microwave Studio // XXII Туполевские чтения. Российский фонд фундаментальных исследований/ 2015. С. 808-810.
18. Титов Е. В., Сошников А. А, Васильев В. Ю. Компьютерное моделирование наложенных электромагнитных волн от источников электромагнитного поля в широком диапазоне частот // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2022. № 3(209). С. 102-108.
19. Ландышев Д. Ю., Бирюкова И. П. Методика изучения рассеяния электромагнитных волн на основе компьютерного моделирования // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 5-1 (10-1). С. 278-281.
20. Рябченко В. Ю., Паслён В. В. Компьютерное моделирование объектов с помощью ПП CST Microwave Studio // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. 2018. № 1. С. 139.
Дата поступления статьи в редакцию 19.05.2023; одобрена после рецензирования 06.06.2023;
принята к публикации 19.06.2023.
Информация об авторе: Е. В. Воронов - к.э.н., доцент, Spin-код: 8963-4080.
REFERENCES
1. Fajvishevskij M. L. Nekotorye rekomendacii po sovershenstvovaniyu pererabotki nepishchevogo syr'ya na myasokombinatah [Some recommendations for improving the processing of non-food raw materials at meat processing plants], Myasnye tekhnologii [Meat technologies], 2017, No. 1 (169), pp. 48-50.
2. Ivashov V. I. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatij myasnoj promyshlennosti. CHast' 1. Oborudo-vanie dlya uboya i pervichnoj obrabotki [Technological equipment of meat industry enterprises. Part 1. Equipment for slaughter and primary processing], Moscow: Kolos, 2001, 552 p.
3. Strekalov A. V., Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves], Textbook, Moscow: INFRA-M, 2014, 375 p.
4. Baskakov S. I. Elektrodinamika i rasprostraneniya voln [Electrodynamics and wave propagation], Moscow: URSS, 2012, 416 p.
5. Padusova E. V., Sharangovich S. N. Raschet dielektricheskih volnovodov i ob"emnyh rezonatorov [Calculation of dielectric waveguides and volumetric resonators], Tomsk, 2018, 103 p.
6. Drobahin O. O., Saltykov D. Yu. Issledovanie vozmozhnosti primeneniya svyazannyh bikonicheskih rezonatorov dlya opredeleniya parametrov dielektricheskih materialov [Investigation of the possibility of using coupled bi-conic resonators to determine the parameters of dielectric materials], Prikladnaya radioelektronika [Applied Radioe-lectronics], 2014, Vol. 13, No. 1, pp. 63-69.
7. Drobahin O. O., Zabolotnyj P. I., Privalov E. N. Rezonansnye svojstva aksial'no-simmetrichnyh mikro-volnovyh rezonatorov s konicheskimi elementami [Resonant properties of axially symmetric microwave resonators with conical elements], Radiofizika i radioastronomiya [Radiophysics and radio astronomy], 2009, Vol. 1, No. 4, pp.433-441.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
8. Kolomejcev V. A., Komarov V. V. Raschet parametrov bazovyh elementov rabochih kamer SVCH nagrevatel'nyh ustanovok na volnovodah slozhnoj formy [Calculation of parameters of basic elements of working chambers of microwave heating installations on waveguides of complex shape], Sovremennye problemy primeneniya SVCH energii [Modern problems of application of microwave energy], Saratov : SGTU. 1993. pp. 61-62.
9. Zhdankin G. V., Belova M. V., Mihajlova O. V. Patent No. 2729151 RF, MPK A23K10/26. Sverhvysokochastotnaya ustanovka s bikonicheskim rezonatorom i shnekom dlya varki othodov uboya zhivotnyh [Ultra-high-frequency installation with a biconic resonator and auger for cooking animal slaughter waste], Zayavitel' i patentoobladatel' NGSKHA (RU). No. 2018112186; zayavl. 5.02. 2018. Byul. No. 22 ot 04.08.2020. 13 p.
10. Novikova G. V., Zhdankin G. V. Mihajlova O. V., Belov A. A. Analiz razrabotannyh sverhvysokochas-totnyh ustanovok dlya termoobrabotki syr'ya [Analysis of the developed ultra-high-frequency installations for heat treatment of raw materials], Vestnik Kazanskogo GAU [Bulletin of the Kazan State Agrarian University], 2016, No. 4 (42), pp. 89-93.
11. Belova M. V., Novikova G. V., Ershova I. G. Innovations in technologies of agricultural raw materials processing, Journal of Engineering and Applied Sciences, 2016, Vol. 11, No. 6, pp. 1269-1277.
12. Grishina E. M. Raschet ustanovki dlya SVCH obrabotki materialov s razlichnymi dielektricheskimi svojst-vami [Calculation of an installation for microwave processing of materials with various dielectric properties], Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], Vol. 2, No. 2s (66), 2012, pp. 54-58.
13. Kolomejcev V. A.,. Komarov V. V. Mikrovolnovye ustanovki s ravnomernym ob"emnym nagrevom [Microwave installations with uniform volumetric heating], Part 2. Saratov: SGTU, 2006, 233 p.
14. Artyuhov I. I., Zemcov A. I. Napravlenie sovershenstvovaniya mul'tigeneratornyh SVCH elektrotekhnolog-icheskih ustanovok [Direction of improvement of multigenerator microwave electrotechnological installations], Vestnik Saratovskij GTU [Bulletin of Saratov State Technical University], 2011, No. 1 (54), Iss. 3, pp. 149-154.
15. Docenko A. V. Optimizaciya parametrov ustanovki SVCH-dielektricheskogo nagreva, rabotayushchij v pe-riodicheskom rezhime [Optimization of parameters of the installation of microwave dielectric heating, operating in a periodic mode], Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Samara State Technical University. Series: Technical Sciences], 2006, No. 40, pp. 136-138.
16. Fateev A. V. Primenenie PO CST Microwave Studio dlya rascheta mikrovolnovyh antenn i ustrojstv SVCH [Application of CST Microwave Studio software for calculation of microwave antennas and microwave devices], Tomsk, 2014. 120 p.
17. Hasanov A. S. Analiz elektromagnitnyh polej s ispol'zovaniem sredy CST Microwave Studio [Analysis of electromagnetic fields using the medium CST Microwave Studio], ХХН Tupolevskie chteniya. Rossijskij fond funda-mental'nyh issledovanij [XXII Tupolev readings. Russian Foundation for Basic Research], 2015, pp. 808-810.
18. Titov E. V., Soshnikov A. A, Vasil'ev V. Yu. Komp'yuternoe modelirovanie nalozhennyh elektromagnitnyh voln ot istochnikov elektromagnitnogo polya v shirokom diapazone chastot [Computer simulation of superimposed electromagnetic waves from electromagnetic field sources in a wide frequency range], Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Altai State Agrarian University], 2022, No. 3 (209), pp. 102-108.
19. Landyshev D. Yu., Biryukova I. P. Metodika izucheniya rasseyaniya elektromagnitnyh voln na osnove komp'yuternogo modelirovaniya [Methods of studying electromagnetic wave scattering based on computer modeling], Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka: teoriya i praktika [Current directions of scientific research of the XXI century: theory and practice], 2014, Vol. 2, No. 5-1 (10-1), pp. 278-281.
20. Ryabchenko V. Yu., Paslyon V. V. Komp'yuternoe modelirovanie ob"ektov s pomoshch'yu PP CST Microwave Studio [Computer modeling of objects using PP CST Microwave Studio], Sovremennye problemy radioel-ektroniki i telekommunikacij [Modernproblems of radio electronics and telecommunications], 2018, No. 1, pp. 139.
The article was submitted 19.05.2023; approved after reviewing 06.06.2023; accepted for publication 19.06.2023.
Information about author: E. V. Voronov - Ph. D. (Economy), Associate Professor, Spin-code: 8963-4080.
