CC BY
8ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, SYSTEMS, MATERIALS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 23.01.13. Ред. рег. № 1522 The article has entered in publishing office 23.01.13. Ed. reg. No. 1522
УДК 631.365:633.1
МИКРОВОЛНОВАЯ (СВЧ) УСТАНОВКА БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР
О.А. Морозов, А.Н. Каргин, А.О. Морозов, В.П. Требух, А.Н. Симоненко, А.В. Прокопенко1, С.Г. Каршашов2, Д.А. Будников2
ЗАО «НПП «Магратеп» 141190, Московская область, г. Фрязино, ул. Вокзальная, д. 2А Тел.: (495) 465-86-99, тел./факс: (495) 225-60-34, magratep@mail.ru 'Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ 115409, г. Москва, Каширское ш., 31. (499) 324-8766, факс (499) 324-2111, www.mephi.ru 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Заключение совета рецензентов 04.02.13 Заключение совета экспертов 11.02.13 Принято к публикации 18.02.13
Разработана промышленная установка для СВЧ высокоинтенсивной тепловой обработки злаковых культур с СВЧ мощностью 25 кВт на частоте 915 МГц. Показана перспективность СВЧ обработки для кормоприготовления и обеззараживания злаковых культур. Представлена конструкция СВЧ установки волноводного типа и выполнены предварительные исследования работы установки, которые показали перспективность ее применения в сельском хозяйстве.
Ключевые слова: микроволновый, сверхвысокочастотный, злаки, нагрев.
MICROWAVE HIGH PRODUCTIVITY INSTALLATION FOR CEREAL CROPS PROCESSING
O.A. Morozov, A.N. Kargin, A.O. Morozov, V.P. Trebukh, A.N. Simonenko,
12 2 A.V. Prokopenko , S.G. Kartashov , D.A. Budnikov
CSC "RPE "MAGRATEP", 2A Vokzalnaya St., Fryazino, 141190, Moscow region, Russia Tel.: (495) 465-86-99, Tel./fax: (495) 225-60-34, magratep@mail.ru 1National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow Kashirskoye shosse 31, Moscow, 115409, Russian Federation (499) 324-87-66, fax (499) 324-21-11, www.mephi.ru 2 All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Referred 04.02.13 Expertise 11.02.13 Accepted 18.02.13
Industrial installation for high-intensity microwave processing of cereals with microwave power of 25 kW at 915 MHz is designed. Prospects of microwave processing for cereals decontamination and mixed fodder are shown. Design of microwave waveguide-type installation is presented and preliminary studies of its operation showing perspectives of its application in agriculture are carried out.
Keywords: microwave; cereals; heating
Сведения об авторе: ЗАО
«Научно-производственное предприятие «Магратеп», директор. Область научных интересов: вакуумная СВЧ-электроника, СВЧ-энергетика Публикации: 10.
Олег Александрович Морозов
Александр Николаевич Каргин
Сведения об авторе: ЗАО
«Научно-производственное предприятие «Магратеп», зам. директора по науке, канд. техн. наук Область научных интересов: вакуумная СВЧ-электроника, СВЧ-энергетика, радиотехника Публикации: 15
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Александр Николаевич Симоненко
Карташов Станислав Григорьевич
Сведения об авторе: ЗАО
«Научно-производственное предприятие «Магратеп», аспирант. Область научных интересов: СВЧ-энергетика.
Валерий Петрович Требух
Александр Валерьевич Прокопенко
Дмитрий Александрович Будников
Сведения об авторе: ЗАО
«Научно-производственное предприятие «Магратеп», начальник отдела перспективного развития
Область научных интересов: СВЧ-энергетика, радиоэлектроника Публикации: 9
Сведения об авторе:
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", доцент, канд. техн. наук Область научных интересов: СВЧ-энергетика, эффективность, плазма, СВЧ-электроника, нагрев, пищевая промышленность
Публикации: 73_
Сведения об авторе:
Всероссийский научно-
исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, канд. техн. наук
Область научных
интересов: применение
электротехнологий в
процессах послеуборочной обработки зерна Публикации: 35
Сведения об авторе: ЗАО
«Научно-производственное предприятие «Магратеп», аспирант
Область научных интересов: СВЧ-энергетика, радиоэлектроника
Сведения об авторе:
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, канд. техн. наук Область научных интересов: электромеханизация приготовление и обработка кормов
Публикации: 205
Введение
На современном этапе развития науки и техники огромное внимание уделяется вопросам энергосбережения и появления новых технологий производства. Использование электромагнитной энергии сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний позволит модернизировать существующее производство и создать новые энергосберегающие технологии. СВЧ-энергия традиционно широко используется в пищевой промышленности для процессов конвекционной и вакуумной сушки, а также для приготовления и разогрева [1]. Обработка продуктов питания (сушка, стерилизация, пастеризация и др.) при помощи СВЧ-энергии приобретает все большую популярность среди производителей долгохранящихся продуктов питания, различных сухих полуфабрикатов, закусок и т.п. Использование уникальных свойств электромагнитной энергии (высокой проникающей способности ЭМП, безынерционного и «чистого» нагрева вещества по всему объёму, высокой управляемости процесса и др.) при воздействии её на неметаллические материалы позволяет создавать новые энергосберегающие и экологически чистые технологические процессы. Вопросы эффективного использования СВЧ-энергии в пищевой промышленности рассмотрены в [2].
Современные задачи сельскохозяйственного производства состоят в увеличении степени переработки и повышении качества создаваемой продукции. Использование энергии
электромагнитных колебаний СВЧ- диапазона при производстве и переработке сельскохозяйственной продукции позволяет значительно сократить длительность тепловой обработки, увеличить сохранность, повысить качество продукта, степень его переработки и получить экономический выигрыш. В последние десятилетия были выполнены обширные исследования по воздействию СВЧ-энергии на зерновые продукты [3-9]. Цели этих научных исследований: сушка зерна и обеззараживание зерна и продуктов его переработки, повышение питательности кормов и снижение энергетических затрат в процессе
кормоприготовления, обеззараживание и повышение функциональной активности хлебопекарных дрожжей; повышение урожайности посевных культур и обеспечения сохранности урожая. Особый интерес представляют исследования по повышению питательности и вкусовых качеств зерновых кормов в результате интенсивной тепловой обработки в мощных электромагнитных полях СВЧ-диапазона
[7].
Из приведенных работ [3 -7] следует, что создание эффективных промышленных установок по
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
воздействию на злаковые культуры является актуальной задачей для сельского хозяйства. В ЗАО «НПП «Магратеп» на протяжении последнего времени активно проводятся исследования по разработке промышленного оборудования обработки зерновых культур в мощных электромагнитных полях СВЧ диапазона. Создана установка «Декстрин» для СВЧ высокоинтенсивной тепловой обработки зерновых продуктов, работающая в режимах кормоприготовления и обеззараживания. Выполнены предварительные исследования работы установки, которые показали перспективность ее применения в сельском хозяйстве.
Микроволновая обработка зерновых продуктов
Процессы сушки зерна перед его хранением с использованием СВЧ-энергии исследовались с конца 70-го года прошлого века. В Советском Союзе был создан ряд мощных промышленных установок конвейерного типа для использования на сельскохозяйственных предприятиях. В последнее десятилетие появилось значительное число работ [37], посвященных проблемам применения электромагнитной энергии СВЧ-диапазона в новых технологиях обработки злаковых культур. В работах исследовались вопросы предпосевной стимуляции посевного материала, обеззараживания и дезинсекции зерна после и перед хранением, предпомольного прогрева зерна, декстринизации крахмала злаковых культур при приготовлении комбикормов. Исследования этих процессов выполнялись на установках малой мощности, не превышающей 5 кВт, и работающих на частоте 2450 МГц. Разработанная установка «Декстрин» обеспечивает подачу СВЧ-мощности 25 кВт на частоте 915 МГц, что позволит производить обработку злаковых культур в промышленном масштабе. Рассмотрим новые процессы более подробно.
Предпосевная стимуляция посевного материала электромагнитной энергией СВЧ-диапазона - один из физических методов повышения урожайности зерновых культур. В работе [8] приведены результаты исследований по возможности использования СВЧ-энергии для предпосевной обработки зерна. При этом методе повышение температуры зерна происходит не более чем на 5°С. СВЧ-обработка посевного материала повышает всхожесть семян, стимулирует рост и развитие растений, повышает стойкость к неблагоприятным условиям среды и снижает микроосемененность семян. Эффективность СВЧ предпосевной обработки семян зависит от режимов обработки и условий посева.
Обеззараживание и дезинсекция зерна также является задачей, которую можно решить, применив диэлектрический нагрев продукта электромагнитной энергией СВЧ-диапазона. Сущность проблемы
состоит в следующем. Зерно, поступающее на элеватор перед закладкой на хранение, имеет высокую степень зараженности сапрофитной и фитопатогенной микрофлорой. Как правило, присутствуют бактерии родов Pseudomonas и Bacillus, дрожжи, грибы гельминтоспориозно-альтернариозно-фузариозного комплекса и плесени хранения. В процессе сушки и очистки зерна на элеваторе степень его поверхностной зараженности снижается незначительно. Общее микробное загрязнение зерна, направляемого на хранение, составляет 5-106...Г109 КОЕ/г. В процессе хранения происходит смена состава микроорганизмов. Большая часть эпифитных и фитопатогенных полевых микроорганизмов отмирает, и зерно заселяют возбудители плесени хранения -микроскопические грибы. Сейчас для решения этой задачи применяется химический метод обеззараживания, связанный с применением опасных химических веществ, остатки которых могут привести к серьёзному отравлению и порче зерна. СВЧ-энергия позволяет решить эту проблему, не подвергая риску обслуживающий персонал, при этом обеспечив сохранность продукта без применения химических веществ.
В работах [5, 6] показана возможность обеззараживания и дезинсекции зерна при интенсивном СВЧ-нагреве до температур, не превышающих 80°С. В работе [3] рассматриваются режимы обеззараживания муки в СВЧ-полях. Задача обеззараживания зерновых смесей с использованием СВЧ-энергии возникает и при производстве комбикормов для крупного рогатого скота и в птицеводстве. Таким образом, вопросы создания промышленных установок по эффективному обеззараживанию зерновых культур являются актуальными.
Важная проблема, которую можно решить с использованием СВЧ-энергии, это повышение питательных свойств зерновых культур при приготовлении комбикормов. Этот эффект заключается в декстринизации крахмалов электрофизическим методом. Суть метода такова. Зерно содержит влагу внутри и большое количество трудноперевариваемого крахмала. При обработке зерна в СВЧ-поле происходит паровой взрыв воды, содержащейся в капиллярах зерна. В результате большие молекулы крахмала распадаются на мелкие кусочки, называемые декстринами, или полисахаридами, которые хорошо перевариваются в желудке животного. В работах [7, 9] показано, что для достижения максимального эффекта декстринизацию крахмала необходимо проводить при нагреве зерна со скоростью не менее 10°С в секунду до температуры 150°С. Таким образом, электрофизическим воздействием достигается эффект изменения структуры зерна и повышения его питательной ценности. Усвояемость полученной
180
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
тлт
смеси на 30% выше по сравнению с необработанным зерновым продуктом.
В работе [9] предлагается осуществить последовательно двухступенчатый нагрев зерна: до 105-120°С конвекционный и далее до 150-180°С СВЧ-энергией. Однако такой подход к созданию установки ведёт к её усложнению и технически не оправдан. До настоящего времени не существовало мощных промышленных установок, способных проводить декстринизацию крахмала в злаковых культурах с помощью СВЧ-энергии. НПП «Магратеп» разработало и изготовило в 2012 г. опытный образец установки «Декстрин-3» для отработки технологий обеззараживания и декстринизации крахмала в зерне и продуктах его переработки. В установке реализован одноступенчатый интенсивный СВЧ-нагрев зерна в волноводной камере походного типа. В 2013-2014 г. на этой установке предполагается выполнить обширный цикл экспериментальных исследований по разработке технологий обработки зерновых продуктов.
Установка для СВЧ-обработки зерновых продуктов
Установки непрерывного действия «Декстрин» предназначены для внедрения новых методов высокоинтенсивной тепловой обработки зерновых культур в мощных электромагнитных полях СВЧ-диапазона в режимах кормоприготовления, обеззараживания, стимуляции и предпомольного прогрева. Предварительные эксперименты показали, что в режиме кормоприготовления (деструкция крахмала в пшенице) производительность установки достигла 320 кг/час, а в режиме обеззараживания -650 кг/час. Подобная установка может использоваться в крупных фермерских хозяйствах для приготовления эффективных кормов в птицеводстве и животноводстве.
На рис. 1 представлена общая схема установки «Декстрин-3», а в табл. 1 её основные характеристики.
Особенностью работы установки является встречная подача зерна и СВЧ-энергии. Рассмотрим работу установки. Зерно из бункера 1 поднимается шнековым транспортером 2 на высоту рабочей камеры ~5 м и подается с помощью самоочищающегося двойного шнека 3 в волноводную рабочую камеру 4. В волноводной рабочей камере расположена толстостенная труба-продуктопровод из радиопрозрачного фторопласта, в которой зерно нагревается до заданной температуры, проходя внутри рабочей камеры, и выгружается с помощью самоочищающегося двойного шнека выгрузки зерна 5. Работа шнеков 3 и 5 синхронизована и позволяет регулировать скорость прохода зерна через продуктопровод. Волноводная рабочая камера 4 питается от магнетрона 6 СВЧ-
мощностью 25 кВт на частоте 915 МГц. Высоковольтный источник питания магнетрона 7 и блок охлаждения 9 служат для обеспечения необходимых режимов работы магнетрона. Контроль и управление работой генератора, а также системой подачи зерна, осуществляется с пульта управления 9. Для регулирования влажности зерна, поступающего в СВЧ-камеру, в установке предусматривается узел орошения, а также система удаления и конденсации пара.
Рис. 1. Общая схема установки типа «Декстрин-3»: 1 - загрузочный бункер; 2 - шнековый транспортёр подачи зерна; 3 - шнек загрузки зерна в камеру; 4 - волноводная рабочая камера; 5 - шнек выгрузки зерна из камеры; 6 -магнетрон; 7 - высоковольтный источник питания; 8 - пульт управления установкой; 9 - блок охлаждения магнетронного модуля
Fig. 1. Scheme of "Dekstrin-3" type installation: 1 - loading bin; 2 - grain screw conveyer, 3 - feed chamber screw conveyer; 4 - waveguide working chamber; 5 - discharge chamber grain screw conveyer; 6 - magnetron; 7 - high-voltage power supply; 8 - installation control desk; 9 - cooling unit of magnetron module
Режимы работы установки, определяемые температурой зерна на выходе, регулируются СВЧ-мощностью и скоростью подачи зерна. В установке возможно достижение температуры зерна на выходе до 200°С в режиме диспергирования и производительности по обработанному зерну до 2 т/час в режиме предпосевной стимуляции.
Рабочая камера установки волноводно-проходного типа выполнена на основе волновода прямоугольного сечения с волной Н10 с частичным заполнением диэлектриком. В центре волновода размещается толстостенная фторопластовая труба-продуктопровод большого диаметра, заполненная диэлектриком с потерями (например, пшеницей, имеющей диэлектрические характеристики е=2,93 и tg 5=0,13 при влажности 9,9% на частоте 915 МГц). При заполнении сечения волновода в центральной части более 10% диэлектриком с потерями, коэффициент затухания СВЧ-энергии в волноводе будет более 10 дБ/м [9]. Изменяя длину волновода и
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
степень заполнения, можно достичь практически полного поглощения СВЧ-мощности в диэлектрике. При этом основное поглощение СВЧ-энергии происходит на начальном участке волновода в месте расположения узла ввода СВЧ- мощности.
Таблица 1.
Характеристика установки «Декстрин».
Table 1.
Specifications of "Dekstrin" installation
Узел ввода мощности выполнен в виде поворотного рупорного перехода от прямоугольного волновода стандартного сечения и обеспечивает согласование рабочей камеры с магнетроном. Для эффективной передачи СВЧ-энергии в рабочую камеру и устойчивости работы магнетрона необходимо обеспечить долговременный
коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) не выше 1,5. Сохранение минимального значения КСВН в процессе работы установки позволит отказаться от использования ферритового циркулятора, что существенно упростит и удешевит установку. На конце волноводной рабочей камеры размещаются симметричные водяные нагрузки. Эти нагрузки практически не поглощают СВЧ-мощности при полной загрузке зерна, но защищают магнетрон при его отсутствии в камере, например, при прекращении его подачи. Выполнено исследование электродинамических характеристик изготовленной волноводной рабочей камеры. С использованием векторного анализатора цепей фирмы Апг^и проведены исследования при заполнении рабочей камеры пшеницей с влажностью более 10%, которые показали, что в полосе 890-940 МГц значение КСВН не превышает 1,2.
Рабочая камера установлена вертикально и зерно за счет силы тяжести и под проталкивающим действием загрузочного шнека поступает в неё
сверху вниз. Водяной пар, образующийся при нагреве зерна на этом участке, поднимается по фторопластовой трубе через зерно вверх и дополнительно прогревает его. Подавление СВЧ-излучения из узлов ввода и вывода зерна обеспечивается запредельным характером устройства шнеков.
Проведен запуск и исследована работа установки на высоком уровне мощности. Исследования выполнялись на пшенице. Сняты зависимости температуры зерна на выходе от производительности установки при разном уровне СВЧ-мощности. При малой скорости подачи зерна достигнута максимальная температура нагрева зерна 170°С. На установке получен эффект частичного диспергирования зерен пшеницы. В процессе работы с установкой отмечена необходимость более тщательной отработки режимов нагрева зерна.
Заключение
Задачи, связанные с нагревом зерновых культур в процессе кормоприготовления, обеззараживания и предпосевной обработки, всегда являлись актуальными в сельском хозяйстве. Многочисленные научные работы показывают возможность использования СВЧ-энергии для решения этих задач. В ЗАО «НПП «Магратеп» разработана опытная установка «Декстрин», предназначенная для кормоприготовления, обеззараживания и
предпосевной обработки зерновых культур в мощных электромагнитных полях СВЧ-диапазона. Проведены экспериментальные исследования, которые показали её работоспособность и эффективность.
Список литературы
1. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976. 212 с.
2. Ломачинский В.А., Бабарин В.П., Прокопенко А.В. и др. Эффективное использование СВЧ-энергии в пищевой промышленности // Изв. РАН. Сер. энерг. 2008. № 2. С. 88-98.
3. Семенова О. Л. Влияние режимных параметров СВЧ-установки на показатели качества пшеничной муки // Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 1 (87), 2012. С. 74-77
4. Васильев А.Н., Будников Д.А., Руденко Н.Б., Васильев А.А. Экспериментальное исследование процессов нагрева зерна при СВЧ рециркуляции // Механизация и электрификация. 2011. № 11. С. 28-29.
5. Юсупова Г.Г. Обеззараживание зерна пшеницы энергией СВЧ-поля // Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. № 12. С. 67-69.
Параметры Значение
Производительность декстринизации крахмала пшеницы, кг/ч до 320
Предпомольный прогрев зерна, кг/ч до 8
Обеззараживание и дезинсекция, кг/ч до 650
Предпосевная стимуляция, кг/ч до 2000
Режим работы непрерывный
Частота генерации, МГц 915,0±15
Потребляемая мощность, кВт не более 45,0
Мощность СВЧ-генератора, кВт 25,0
Уровень паразитного СВЧ-излучения на расстоянии 1 м, мкВт/см2 не более 10,0
Количество обслуживающего персонала, чел. 1
Время готовности, мин не более 10
Габаритные размеры установки, мм длина ширина высота 3500 1600 5000
Масса, кг 2200
182
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
тлт
6. Касьяненко В.П. Обеззараживание зерна и комбикормов в поле СВЧ: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.18.12. М., 2002. 23 с.
7. Пахомов В.И., Каун В. Д. Оптимизация тепловой обработки фуражного зерна СВЧ-энергией // Мех. и электр. с.-х. 2000. № 9. С. 8-10.
8. Бабенко А.А. СВЧ импульсная предпосевная обработка семян. Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.20.02. М., 1993. 26 с.
9. Патент ЯИ 2333036 от 18.04.2007. Способ обработки зерновых материалов // Пахомов В.И., Смоленский А.В., Чапский П. А., Каун В. Д., Морозов О.А., Воскобойник М.П. // Бюл. № 25, 10.09.2008
10. Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ-энергетика. М.: Наука, 2000. 264 с.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
