CC BY
3
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Научная статья УДК 621.385.6
DOI: 10.24412/2227-9407-2023-11-53-64
Моделирование электродинамических параметров СВЧ-установки для вытопки жира из мясных отходов
Евгений Викторович Воронов1^, Галина Владимировна Новикова2, Сергей Александрович Суслов3, Татьяна Анатольевна Изосимова4, Марьяна Валентиновна Просвирякова5
12 3 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия 4Волжский филиал «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», Чебоксары, Россия
5Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, Москва, Россия 1 e_voronov@list.ruв,, https://orcid.org/0000-0002-9867-5860 2NovikovaGalinaV@yandex. т, https://orcid. org/0000-0001-9222-6450 3nccmail4@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-1189-8023 4ta_iz@mail.ru, https://orcid.org/0009-0007-0188-9058 5prosviryakova. maryana@yandex. т, https://orcid. org/0000-0003-3258-260х
Введение. На мясоперерабатывающих предприятиях накапливается до 25 % вторичного сырья от общей массы туш забиваемых животных. Задачей является сохранение кормовой ценности мясных отходов при их переработке в фермерских хозяйствах. К такому сырью относятся мясо и субпродукты, не пригодные в пищу и отбракованные при ветеринарно-санитарной экспертизе на предприятиях мясной промышленности при после-убойном осмотре туш скота и тушек птицы. Из этого сырья производят белковый корм с использованием паровых котлов с достаточно высокими эксплуатационными затратами.
Материалы и методы. При разработке и конструировании проанализированы особенности диэлектрического нагрева мясного сырья в зависимости от жирности, влажности, плотности и температуры. Трехмерное моделирование установки и электродинамических параметров выполнено с помощью программ Компас 3D V20 и CST Microwave Studio 2018. Зависимость температуры нагрева измельченного сычуга от удельной мощности генератора построена в программе Excel 2016.
Результаты и обсуждение. Разработанная установка содержит сферический резонатор, на верхней половине которого соосно поярусно расположенные фторопластовые перфорированные электроприводные усеченные конусы без оснований малого диаметра. На нижней половине резонатора соосно установлены фторопластовые обечайки усеченных конусов, состыкованные по периметру большого диаметра, где расположен фторопластовый перфорированный электроприводной диск. К обечайке конуса жестко прикреплена фторопластовая цилиндрическая муфта, где установлена керамическая обечайка усеченного конического отражателя. С наружной стороны резонатора жестко установлен неферромагнитный кольцевой желоб, который закрывает щель по периметру сферического резонатора, размером менее четверти длины волны. Магнетроны воздушного охлаждения расположены со сдвигом на 120° по перпендикулярно расположенным периметрам сферы. Шквара выгружается через запредельный волновод, жир сливается через желоб и накопительную емкость.
© Воронов Е. В., Новикова Г. В., Суслов С. А., Изосимова Т. А., Просвирякова М. В., 2023
4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Аннотация
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 11 (150). C. 53-64. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 11 (150). P. 53-64. ISSN 2227-9407 (Print)
FI РГТШГЛI ТРГНМП! nfllFS FI РГТШГДI FrtiifPMFIVT ELECTRICAL TECHNOLOG1ES, ELECTR1CAL EQU1PMENT
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
Заключение. Сферический резонатор обладает высокой собственной добротностью (9884), термический коэффициент полезного действия достигает 0,75-0,78. Равномерность нагрева многокомпонентного измельченного вторичного сырья обеспечивается за счет его нахождения во взвешенном состоянии в фторопластовых электроприводных усеченных конусах и равномерного распределения электромагнитного поля в сферическом резонаторе. Обеззараживание вытопленного жира и шквары до допустимого уровня достигается путем концентрации энергии от 6 магнетронов керамическими отражателями до высокой напряженности электрического поля 4-5 кВ/см. Производительность установки 70-100 кг/ч.
Ключевые слова: жир и шквара, сферический резонатор, фторопластовые перфорированные усеченные конусы, электроприводной фторопластовый перфорированный диск
Для цитирования: Воронов Е. В., Новикова Г. В., Суслов С. А., Изосимова Т. А., Просвирякова М. В. Моделирование электродинамических параметров СВЧ-установки для вытопки жира из мясных отходов // Вестник НГИЭИ. 2023. № 11 (150). С. 53-64. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-11-53-64
Modeling of electrodynamic parameters of a microwave installation for heating fat from meat waste
Evgeny V. VoronovGalina V. Novikova2, Sergey A. Suslov3 Tatiana A. Izosimova4, Mariana V. Prosviryakova5
12 3 Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, Knyaginino, Russia
4 Volzhsky Branch of the Moscow Automobile and Road State Technical University (MADI), Cheboksary, Russia
5 Russian State Agrarian University - Timiryazev Moscow Agricultural Academy, Moscow, Russia 1 e_voronov@list.ruB', https://orcid.org/0000-0002-9867-5860
2NovikovaGalinaV@yandex. ru, https://orcid. org/0000-0001-9222-6450 3nccmail4@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-1189-8023 4ta_iz@mail.ru, https://orcid.org/0009-0007-0188-9058 5prosviryakova.maryana@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0003-3258-260x
Abstract
Introduction. Meat processing plants accumulate up to 25 % of secondary raw materials from the total weight of slaughtered animals. The task is to preserve the nutritional value of meat waste during their processing in farming households. This raw material includes meat and by-products that are unsuitable for consumption and are rejected during veterinary and sanitary examination in meat industry establishments during post-slaughter inspection of livestock and poultry carcasses. Protein feed is produced from this raw material using steam boilers with relatively high operating costs.
Materials and methods. When developing and designing, the characteristics of dielectric heating of meat raw materials were analyzed depending on fat content, moisture content, density, and temperature. The three-dimensional modeling of the setup and electromagnetic parameters was performed using the software programs Kompas 3D V20 and CST Microwave Studio 2018. The dependence of the temperature of ground rennet heating on the specific power of the generator was plotted in Excel 2016.
Results and discussion. The developed installation includes a spherical resonator, on the upper half of which coaxial-ly tiered fluoroplastic perforated electric drive truncated cones with small diameter bases are located. On the lower half of the resonator, fluoroplastic collars of truncated cones are coaxially installed, connected along the perimeter of the large diameter, where a fluoroplastic perforated electric drive disk is located. A fluoroplastic cylindrical coupling, where a ceramic collar of a truncated conical reflector is installed, is rigidly attached to the cone collar. On the outer side of the resonator, a non-magnetic annular groove is rigidly installed, which closes the gap around the spherical resonator, size less than a quarter of the wavelength. Air-cooled magnetrons are located with a shift of 120° along per-
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
pendicular perimeters of the sphere. The discharge is unloaded through an off-limit waveguide, and the fat is drained through the groove and the storage capacity.
Conclusion. The spherical resonator has a high intrinsic quality factor (9884), and the thermal efficiency reaches 0,75-0,78. The uniform heating of the multi-component ground secondary raw material is ensured by its presence in weighted fluoroplastic electrically driven truncated cones and the uniform distribution of the electromagnetic field in the spherical resonator. Disinfection of melted fat and cracklings to an acceptable level is achieved by concentrating the energy from 6 magnetrons with ceramic reflectors to a high electric field intensity of 4-5 kV/cm. The plant's productivity is 70-100 kg/h.
Keywords: spherical resonator, fluoroplastic perforated truncated cones, electrically driven fluoroplastic perforated disk, fat and flakes
For citation: Voronov E. V., Novikova G. V., Suslov S. A., Izosimova T. A., Prosviryakova M. V. Modeling of elec-trodynamic parameters of a microwave installation for heating fat from meat waste // Bulletin NGIEI. 2013. № 11 (150). P. 53-64. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-11-53-64
Введение
На мясоперерабатывающих предприятиях накапливается до 25 % вторичного сырья от общей массы туш забиваемых животных [1; 2; 3; 5]. К такому сырью относятся мясо и субпродукты, не пригодные в пищу и отбракованные при ветеринарно-санитарной экспертизе на предприятиях мясной промышленности при послеубойном осмотре туш скота и тушек птицы. Из этого сырья производят белковый корм с использованием паровых котлов. Для этого имеются установки периодического действия — это котлы и автоклавы, непрерывного действия, содержащие для перемещения сырья в рабочей камере шнеки, барабаны, роторы, вибраторы, а также измельчители. Тем не менее общая продолжительность процесса термообработки с помощью этих установок составляет 4-4,5 часа. При этом расход пара на варку от 125 до 300 кг/ч, горячей воды от 0,6 до 0,7 м3/ч 1. Расход на переработку 1 тонны сырья: пара 600-800 кг, воды 11-22 м3. Для стерилизации сырья в герметизированном котле создают кратковременно высокое давление 0,1-0,15 Мпа, а давление пара в рубашке котла равно 0,3-0,4 МПа. Анализ технических характеристик этих установок показывает, что они работают при достаточно высоких эксплуатационных затратах. При такой продолжительности процесса ухудшается качество вытопленного жира и кормовая ценность шквары. А при долгом хранении вторичного сырья при комнатной температуре растет бактериальная обсеме-ненность, появляется опасность загрязнения среды. Поэтому следует искать инновационные пути интенсификации процесса термообработки сырья в условиях фермерских хозяйств с сохранением кор-
мовой ценности, например, с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ).
В научной школе разработано множество СВЧ-установок. Они предназначены для реализации этих задач [4]. Например, СВЧ-установка с бикони-ческим резонатором [6]. Она выполнена в виде конических обечаек, соединенных по периметру оснований, соосно расположенных внешнего и внутреннего пакетов фторопластовых тарелок в виде усеченных конусов. Внутренний пакет фторопластовых тарелок в виде терок установлен на электроприводной диэлектрический вал со спиральным диэлектрическим шнеком в нижней конической обечайке. Верхняя обечайка перфорирована и соосно расположена в экранирующем усеченном конусе, содержащем на верхнем основании загрузочную емкость, а по периметру нижнего основания установлен желоб. Шаг между тарелками внешнего пакета менее, чем глубина проникновения волны в сырье. Волноводы с магнетронами расположены на корпусе и нижней обечайке со сдвигом на 120° по периметру и равномерно по высоте резонатора. Недостатком данной конструкции является неравномерность распределения электромагнитного поля СВЧ в объеме биконического резонатора, вследствие чего усложнение дополнительными узлами.
Целью научных исследований является совершенствование микроволновой технологии и соответствующей техники для термообработки мясных отходов с сверхвысокочастотным энергоподводом в сферический резонатор при сниженных эксплуатационных затратах с сохранением их кормовой ценности.
; electrical technologies, electrical equipment
and power supply of the agro-industrial complex
В связи с поставленной целью в научной школе решается следующая научная задача - разработать конструктивное исполнение радиогерметичной установки с сверхвысокочастотным энергоподводом в сферический резонатор, содержащий электроприводные узлы, обеспечивающие равномерность термообработки сырья в непрерывном режиме, с моделированием электродинамических параметров системы.
Материалы и методы При разработке и конструировании проанализированы особенности диэлектрического нагрева мясного сырья в зависимости от жирности, влажности, плотности и температуры. Трехмерное моделирование установки выполнено с помощью программы Компас 3D V20. Оптимизация вытопки жира из жиросодержащего вторичного мясного сырья сводится к поиску условий и конструктивного решения, обеспечивающих интенсивный эндогенный нагрев измельченного многокомпонентного жиро-содержащего сырья, выбор модели процесса управления движением измельченных частиц сырья в объеме резонатора при непрерывном режиме работы установки. Эффективные значения факторов, определяющих технологический процесс вытопки жира, получены решением регрессионных уравнений. Картину распределения напряженности электрического поля в объеме сферического резонатора, диаметр которого кратен половине длины волны, исследовали в программе CST Microwave Studio 2018 трехмерным моделированием резонатора [7]. Жиросодержащим сырьем при исследовании динамики нагрева с вытопкой жира служил сычуг от че-тырехкамерного желудка крупного рогатого скота (КРС) (рис. 2). Поверхностную температуру измеряли с помощью инфракрасного термометра с переключаемой оптикой, пирометра «Testo 845» и тепловизора FLIRÍ3.
Результаты и обсуждение Научная проблема - низкая энергоэффективность технических средств для термообработки мясных отходов решается за счет вытопки жира из измельченного жиросодержащего мясного сырья в сферическом резонаторе с сверхвысокочастотным энергоподводом.
Сверхвысокочастотная (СВЧ) установка со сферическим резонатором для вытопки жира из измельченных жиросодержащих мясных отходов в
непрерывном режиме содержит неферромагнитный сферический резонатор 2 (рис. 1). На верхней половине резонатора соосно установлены поярусно расположенные фторопластовые перфорированные электроприводные усеченные конусы 3 без оснований малого диаметра, большим основанием вверх. На нижней половине сферического резонатора 2 соосно с соприкосновением к его поверхности установлены нижние фторопластовые обечайки усеченных конусов 8, 9, состыкованные по периметру большого диаметра, где на уровне их стыковки расположен фторопластовый перфорированный электроприводной диск 10 с радиальными направляющими.
К периметру малого диаметра фторопластовой обечайки усеченного конуса 8 жестко закреплена фторопластовая цилиндрическая муфта 4, где стационарно установлена керамическая обечайка усеченного конического отражателя 5 так, что периметр большого диаметра соприкасается с поверхностью сферического резонатора. На этом уровне соприкосновения, с наружной стороны резонатора, жестко установлен неферромагнитный кольцевой желоб 6, который закрывает щель по периметру сферического резонатора, размером менее четверти длины волны. Неферромагнитная загрузочная емкость 1 с неферромагнитной задвижкой установлена над первым фторопластовым перфорированным электроприводным усеченным конусом 3, имеющим центральное отверстие в основании большого диаметра. На уровне фторопластового перфорированного электроприводного диска 10 к поверхности неферромагнитного сферического резонатора 2 прикреплен запредельный волновод 7 с шаровым краном. А под усеченным основанием нижней фторопластовой обечайки усеченного конуса 9, где на поверхности неферромагнитного сферического резонатора 2 имеется отверстие, установлена неферромагнитная накопительная емкость 12. По вертикальной оси неферромагнитного сферического резонатора 2 размещен фторопластовый вал 11 электропривода верхних фторопластовых перфорированных усеченных конусов 3 и фторопластового перфорированного диска 10. Магнетроны воздушного охлаждения 13 с волноводами и вентиляторами расположены со сдвигом на 120 градусов по перпендикулярно расположенным периметрам сферы.
ХХХХХХХХХХ электротехнологии, электрооборудование ХХХХХХХХХХ
ХХХХХХХ и энергоснабжение агропромышленного комплекса ХХХХХХХ
к / i л / j
Рис. 1. СВЧ-установка со сферическим резонатором для вытопки жира из измельченных жиросодержащих мясных отходов в непрерывном режиме: а - общий вид в разрезе с позициями; б - общий вид, поперечный разрез; в, г, д - верхние усеченные конусы; е, ж - нижние усеченные конусы; и - керамический отражатель; к - фторопластовый диск; л - кольцевой желоб; 1 - загрузочная емкость; 2 - неферромагнитный сферический резонатор; 3 - верхние поярусно расположенные фторопластовые перфорированные усеченные конусы без оснований малого диаметра; 4 - фторопластовая муфта; 5 - керамический усеченный конический отражатель;
6 — неферромагнитный кольцевой желоб; 7 - запредельный волновод с шаровым краном; 8, 9 - нижние фторопластовые обечайки усеченных конусов; 10 - фторопластовый перфорированный электроприводной диск с радиальными направляющими; 11 - фторопластовый вал электропривода; 12 - неферромагнитная накопительная емкость; 13 — магнетроны воздушного охлаждения с волноводами и вентиляторами Fig. 1. A microwave installation with a spherical resonator for melting fat from finely ground fat-containing meat waste in a continuous mode: a - general view in section with positions; b - general view, cross section; c, d, e - upper
truncated cones; f, h - lower truncated cones; g - ceramic reflector; k - fluoroplastic disk; j - annular trough; 1 - loading tank; 2 - non-ferromagnetic spherical resonator; 3 - upper tiered perforated fluoroplastic truncated cones
without bases of small diameter; 4 - fluoroplastic coupling; 5 - ceramic truncated conical reflector; 6 - non-ferromagnetic annular trough; 7 - transcendental waveguide with ball valve; 8, 9 - lower fluoroplastic shells of truncated cones; 10 - fluoroplastic perforated electric drive disc with radial guides; 11 - fluoroplastic shaft of the electric drive; 12 - non-ferromagnetic storage tank; 13 - air-cooled magnetrons with waveguides and fans Источник: разработано авторами в программе Компас 3D V20
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
Технологический процесс происходит следующим образом. Загрузить предварительно измельченное жиросодержащее мясное сырье в емкость 1 при закрытой задвижке. Включить электропривод 11 фторопластового перфорированного диска и по-ярусно расположенных фторопластовых перфорированных усеченных конусов 3. Открыть задвижку и при попадании измельченного сырья в усеченные конусы включить все СВЧ-генераторы (магнетроны 13). После чего в сферическом резонаторе возбуждается электромагнитное поле сверхвысокой частоты (2450 МГц, длина волны 12,24 см, глубина проникновения волны 5-11 см). В СВЧ-диапазоне важными являются потери релаксации из-за ди-польных потерь свободной воды [8; 9; 10]. Измельченное сырье в вращающихся фторопластовых перфорированных усеченных конусах перемешивается, за счет токов поляризации нагревается. За счет центробежной силы сырье ударяется об обечайки конусов, и расплавленный жир просачивается через их перфорированные обечайки. Далее по поверхности керамического усеченного конического отражателя 5 стекает через щель по периметру резонатора в не-
ферромагнитный кольцевой желоб 6, оттуда в специальную емкость для жира. Невытопленное сырье через фторопластовую муфту 4 попадает на фторопластовый перфорированный электроприводной диск 10 с радиальными направляющими. При вращении диска сырье продолжает нагреваться, вытопленный жир через перфорацию вытекает и попадает в накопительную емкость 12. Шквара радиальными направляющими электроприводного диска сбрасывается через запредельный волновод 7 с шаровым краном в специальную емкость для шквары. Радиогерметичность обеспечивается: во-первых, неферромагнитной задвижкой в загрузочной емкости 1, позволяющей открывать не более четверти длины волны; во-вторых - запредельным волноводом и неферромагнитным желобом 6.
Проведены экспериментальные исследования динамики нагрева сырья из желудка крупного рогатого скота (КРС), а именно: рубца, сычуга, сетки, книжки [11]. Хронометраж вареного измельченного сычуга КРС в СВЧ-установке с цилиндрическим резонатором в стационарном режиме, при мощности магнетрона 850 Вт можно визуализировать на рис. 2, 3.
4 5 6
Рис. 2. Сычуг КРС: 1 - измельченный сычуг при нагреве до 49° С; 2 - измельченный сычуг при нагреве
до 83 °С; 3 - измельченный сычуг при нагреве до 110° С; 4 - исследование температуры сырья с помощью тепловизора FLIRi3; 5 - исследование температуры сырья с помощью «Testo 845»; 6 - сычуг
Fig. 2. Cattle rennet: 1 - crushed rennet when heated to 49° C; 2 - crushed rennet when heated to 83° C; 3 - crushed rennet when heated to 110° C; 4 - raw material temperature study using a FLIRi3 thermal imager; 5 - raw material temperature study using «Testo 845»; 6 - rennet Источник: результаты исследования авторов 58
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
Результаты исследования динамики нагрева измельченного сычуга, размером 2*2*2 см при мощности генератора 2,53 Вт/г в течение 15 мин., приведены на рис. 3. Они свидетельствуют, о том, что для снижения продолжительности термообработки следует сырье тонко измельчить и обрабаты-
вать во взвешенном состоянии между фторопластовыми разделителями, где расстояние должно составлять не более одной глубины проникновения волны. А глубина проникновения волны в жиросо-держащее сырье при частоте 2450 МГц составляет 11,2 см2.
Рис. 3. Зависимость температуры нагрева измельченного сычуга от удельной мощности при продолжительности воздействия ЭМПСВЧ Fig. 3. The dependence of the heating temperature of the crushed rennet on the specific power during the duration of exposure to EMPH Источник: результаты исследования авторов
Зависимость температуры нагрева (Т, 0С) измельченного сычуга от удельной мощности генератора ^уд, Вт/г) описывается эмпирическим выражением:
Т = бЗ^Нп^уд) + 55,51. (1)
При плавлении жира происходит изменение диэлектрических и теплофизических характеристик жиросодержащего сырья, так как разрушаются жировые клетки и выделяется жир. Основные характеристики сырья — это зависимость фактора диэлектрических потерь от жирности и температуры, причем плотность и теплоемкость сырья в процессе плавления жира также меняются. Диэлектрическая проницаемость жировой ткани КРС, при частоте 2450 МГц и плотности 900 кг/м3, равна 5, а фактор диэлектрических потерь - 0,1 2. При этом вязкость для измельченной жиромассы температурой 30 °С составляет 70-100 Па-с 1.
Поэтому при расчете продолжительности процесса термообработки измельченного вторично-
го мясного сырья процесс следует разделить на две фазы: продолжительность нагрева до полного плавления жира и до конечной температуры жира и шквары с обеззараживанием до предельно допустимого уровня 500 тыс. КОЕ/г [12; 14].
Проведены исследования электродинамических параметров системы «генератор-резонатор». При этом учитывали, что резонатор сферический, диаметром 61,2 см (десятикратен половине длины волны) разделен на две части ниже горизонтальной оси, с зазором менее чем четверть длины волны (3,06 см). Эта щель закрыта неферромагнитным кольцевым желобом (позиция 6, рис. 1). Моделирование трехмерных структур электромагнитного поля в сферическом резонаторе проведено в программе CST Studio Suite 2018 (вычислительный модуль Time Domain Solver) [7]. Эта программа позволила визуализировать распределение электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля в неферромагнитном сферическом резонаторе с желобом.
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
5 6 7 8
Рис. 4. Результаты исследования ЭД-параметров системы со сферическим резонатором, имеющим по периметру щель, закрытую неферромагнитным желобом (мода 1): 1 - распределение ЭМП по координатам х, у, z; 2 — напряженность электрического поля, В/м; 3 — напряженность магнитного поля, А/м; 4 — поверхностный ток, А/м; 5 - Е-энергия электрической составляющей, Вт/м3; 6 - Е-энергия электрической составляющей, в разрезе, Вт/м3; 7 — Н-энергия, Вт/м3; 8 — Н-энергия, в разрезе, Вт/м3 Fig. 4. The results of the study of the electrodynamical parameters of a system with a spherical resonator, which has a gap around its perimeter closed by a non-ferromagnetic groove (mode 1): 1 - EMF distribution over coordinates x, y, z; 2 — electric field strength, V/m; 3 — magnetic field strength, A/m; 4 - surface current, A/m; 6 - energy of the electrical component, W/m3; 6 - energy of the electrical component, in section, W/m ;
7 - energy, W/m3; 8 - energy, in section, W/m3 Источник: разработано авторами в программе CST Studio Suite 2018
Результаты исследования электродинамических параметров и распределения электромагнитного поля в объеме сферического резонатора со щелью [13; 15; 16], закрытой круглым желобом (рис. 4) показывают, что в центре резонатора напряженность электрического поля достигает 4-5 кВ/см.
Величину собственной добротности сферического резонатора с желобом определяли как отношение двойного объема резонатора к его площади поверхности с учетом толщины поверхностного слоя (скин-слоя) по формуле 1. Расчеты показывают, что собственная добротность (^) сферического резонатора, радиусом R = 30,6 см составляет 11860:
Q =
2 -V
2-4-к-R3-3
2-R
-S А ...-4-к-R
(2)
2-30,6-10"
А -3 1,72-10 -3
= 11860,
где Аскин = 1,72-10" — толщина скин-слоя, м; R - радиус сферического резонатора, м; г - радиус желоба, м; V - объем, м3; 8 - площадь, м2.
Площадь ^желоб) поверхности желоба и объем желоба (Ржелоб):
Smo6 = 4- к -r-R
V.,
= 2-л-2-r2-R. (3)
Общая площадь (Sq64) поверхности и объем (Робщ) сферы с желобом:
S, = 4-к-R + 4-к2-r-R - 3,06-2-к-R,
4
V, = --к-R3 + 2-к2-r2 -R.
общ
(4)
Q =-
^обш
2-V
А„ - S^
4
1,72 -10-5 - (4 - к- R' + 4 - к' -r-R - 3,06 - 2 - к- R )
4 3 2 2
2---к-30,65 + 2-к -1, 532 -30,6
3
(5)
1,72 • 10 3 •( 4- ж- 30,62 + 4- ж' -1,53-30,6 - 3,06-2- ж- 30,6) = 9884.
Если учесть объем и площадь поверхности желоба радиусом г = 3,06 см, то собственная добротность составит 9884. При такой собственной
2
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
добротности термический коэффициент полезного действия может составить 0,75-0,78 [17; 18; 19; 20].
Заключение Сферический резонатор обладает высокой собственной добротностью (9884), термический коэффициент полезного действия достигает до 0,75-0,78. Равномерность нагрева многокомпонентного измельченного вторичного сырья обеспечивается за счет нахождения во взвешенном состоянии в фторопластовых электроприводных
усеченных конусах и равномерного распределения электромагнитного поля в сферическом резонаторе. Обеззараживание вытопленного жира и шква-ры до допустимого уровня достигается путем концентрации энергии от шести магнетронов керамическими отражателями до высокой напряженности электрического поля 4-5 кВ/см. Производительность установки 70-100 кг/ч, энергетические затраты 0,14 кВт ч/кг; температура нагрева сырья 110-120 °С.
Примечания:
1 Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. М. : Колос, 2001. 552 с.
2 Рогов И. А., Адаменко В. Я., Некрутман С. В. и др. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. 288 с.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Киселева И. С., Рудик Ф. Я., Романова О. В. Ресурсосберегающие технологии переработки мясной продукции // Аграрный научный журнал. 2023. № 5. С. 140-145. DOI: 10.28983/asj.y2023i5pp140-145.
2. Балякина К. Д., Детиненко С. А., Чернегов Н. Ю. Переработка вторичных ресурсов как метод повышения эффективности деятельности предприятия АПК // Modern Science. 2021. № 4-1. С. 77-86. EDN: SPIYQA.
3. Горбунова Н. К., Петрунина И. П. Проблемы использования отходов при производстве продукции предприятиями мясной отрасли // Мясная индустрия. 2023. № 9. С. 32-36. DOI: 10.37861/2618-8252-2023-0932-36.
4. Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Белова М. В. Совершенствование установки для термообработки жи-росодержащего сырья // Инновации в сельском хозяйстве. 2017. № 3 (24). С. 102-106.
5. Ермачкова В. В., Игнатенков М. М., Игнатьева О. А. Интенсификации технологического процесса сушки мясного сырья // Естественные и технические науки. 2020. № 7 (145). С. 158-160. EDN: WWMXCR
6. Воронов Е .В., Новикова Г. В., Тихонов А. А., Михайлова О. В., Просвирякова М. В., Сергеев Ю. А., Сторчевой В. Ф. Патент № 2803127 РФ, МПК А47j29/06. СВЧ установка с биконическим резонатором и пакетами тарелок для термообработки мясокостных конфискатов / заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). № 2023115058; заявл. 08.06.2023. Бюл. № 25 от. 06.09.2023. 15 с.
7. Рябченко В. Ю., Паслён В. В. Компьютерное моделирование объектов с помощью I II I CST Microwave Studio // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. 2018. № 1. С. 139.
8. Королев А. А., Кондратенко В. В. Разработка метода определения граничных условий обработки сырья в СВЧ поле для нивелирования термической компоненты // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. 2021. № 2 (48). С. 3-12. DOI: 10.17586/2310-1164-2021-14-2-3-12.
9. Каткова Т. О., Седышев Э. Ю. Генератор СВЧ на кольцевом эллиптическом резонаторе в объемном интегральном исполнении // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2021. Т. 1. С. 430-433. EDN: SWJDTM.
10. Давидович М. В., Кобец А. K., Саяпин К. А. Возбуждение прямоугольного резонатора через окна связи в конвейерной установке СВЧ-нагрева // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2022. Т. 25. № 4. С. 88-99. DOI: 10.18469/1810-3189.2022.25.4.88-99.
11. Кененбай Г. С., Чоманов У. Ч., Омиржанова Б. Б., Татиева А. Н. Микробиологические показатели говяжьего рубца после озонирования // Все о мясе. 2023. № 1. С. 43-45. DOI: 10.21323/2071-2499-2022-6-43-45
12. Смирнов С. В., Морозов Г. А., Морозов О. Г. и др. Разработка метода контроля параметров процесса микроволновой переработки отходов животноводства // Международный научно-исследовательский журнал. 2020. № 11-1 (101). С. 67-73. DOI: 10.23670/IRJ.2020.101.11.010.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 11 (150). C. 53-64. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 11 (150). P. 53-64. ISSN 2227-9407 (Print)
FI РГТШГЛI ТРГНМП1 ПП1РЯ FI РГТШГДI FrtíífPMFWT elecirical íc^nwuluuicj, elecirical equipmei\i
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
13. Фомин Д. Г., Дударев Н. В., Даровских С. Н., Баранов В. К. Исследование объемного полосково-щелевого перехода с П-образным щелевым резонатором // Ural Radio Engineering Journal. 2020. Т. 4. № 3. С. 277-292. DOI: 10.15826/urej.2020.4.3.002.
14. Иванов А. С., Иванов В. А., Сидоренко Д. С., Оганезов Н. И., Рогожин К. В. Прорывные электроволновые технологии и оборудование для утилизации и обезвреживания отходов // Управление муниципальными отходами как важный фактор устойчивого развития мегаполиса. 2018. № 1. С. 103-110. EDN: SQZUAG
15. Крапивницкая Т. О., Буланова С. А., Денисенко А. Н., Богдашов А. А., Вихарев А. А., Соболев Д. И., Песков Н. Ю. Система СВЧ переработки твердого органического сырья // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2021. № 3. С. 380-381. EDN: WWUUEA
16. Комаров В. В., Бушанский С. К., Чуркин А. О. СВЧ-фильтры на объемных резонаторах // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. Т. 75. № 6. С. 44-67. DOI: 10.18127/j20700784-202106-05
17. Кабдин Н. Е., Андреев С. А. Обеспечение равномерности СВЧ-обработки сельскохозяйственных материалов в объемном резонаторе // Международный технико-экономический журнал. 2018. № 5. С. 42-49. EDN: YUZNUD
18. Комаров В. В., ЛукьяновМ. А. Волноводные СВЧ-фильтры: технические решения, тенденции развития и методы расчёта // Журнал радиоэлектроники. 2021. № 1. С. 2. DOI: 10.30898/1684-1719.2021.1.9
19. Веденькин Д. А., Халиков А. З., Хабибуллин Р. Р. Модель конвейерного способа переработки веществ при помощи СВЧ-нагрева // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2 (49). С. 50. EDN: YATERV
20. Болтовский В. С. Использование СВЧ-энергии для гидролитической и биотехнологической переработки растительного сырья: возможности, состояние и перспективы // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2020. № 1 (229). С. 82-92. EDN: WXKICZ
Дата поступления статьи в редакцию 13.08.2023; одобрена после рецензирования 07.09.2023.
принята к публикации 08.09.2023.
Информация об авторах Е. В. Воронов - к.э.н., доцент, Spin-код: 8963-4080; Г. В. Новикова - д.т.н., профессор, Spin-код: 3317-5336; С. А. Суслов - д.э.н., доцент, Spin-код: 4040-2965 Т. А. Изосимова - к.т.н., доцент, Spin-код: 4957-0468; М. В. Просвирякова - д.т.н., доцент, Spin-код: 5642-4560.
Заявленный вклад авторов:
Воронов Е. В. - проведение экспериментальных исследований динамики нагрева сырья из желудка КРС: рубца, сычуга, сетки, книжки, написание окончательного варианта текста, подготовка первоначальных выводов.
Новикова Г. В. - научное руководство, описание установки с сферическим резонатором, формулирование основных направлений исследований и выводов.
Суслов С. А. - анализ научной литературы по проблеме исследования, работа над составлением концепции повышения эффективности СВЧ-установки для работы в непрерывном режиме.
Изосимова Т. А. - построение 3D-модели установки с энергоподводом в сферический резонатор, моделирование трехмерных структур электромагнитного поля в сферическом резонаторе.
Просвирякова М. В. - подготовка литературного обзора, определение эффективных режимов, вычисление собственной добротности резонатора, оформление результатов исследования в графиках.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
REFERENCES
1. Kiseleva I. S., Rudik F. Ya., Romanova O. V. Resursosberegayushchie tekhnologii pererabotki myasnoj produkcii [Resource-saving technologies for processing meat products], Agrarnyj nauchnyj zhurnal [Agrarian Scientific Journal], 2023, No. 5, pp. 140-145, DOI: 10.28983/asj.y2023i5pp140-145.
2. Balyakina K. D., Detinenko S. A., Chernegov N. Yu. Pererabotka vtorichnyh resursov kak metod pov-ysheniya effektivnosti deyatel'nosti predpriyatiya APK [Recycling of secondary resources as a method of increasing the efficiency of agricultural enterprises],Modern Science, 2021, No. 4-1, pp. 77-86. EDN: SPIYQA.
3. Gorbunova N. K., Petrunina I. P. Problemy ispol'zovaniya othodov pri proizvodstve produkcii predpriyati-yami myasnoj otrasli [Problems of waste use in production by meat industry enterprises], Myasnaya industriya [Meat industry], 2023, No. 9, pp. 32-36, DOI: 10.37861/2618-8252-2023-09-32-36.
4. Zhdankin G. V., Novikova G. V., Belova M. V. Sovershenstvovanie ustanovki dlya termoobrabotki zhiro-soderzhashchego syr'ya [Improving the installation for heat treatment of fat-containing raw materials], Innovacii v sel'skom hozyajstve [Innovations in agriculture], 2017, No. 3 (24), pp. 102-106.
5. Ermachkova V. V., Ignatenkov M. M., Ignat'eva O. A. Intensifikacii tekhnologicheskogo processa sushki myasnogo syr'ya [Intensification of the technological process of drying meat raw materials], Estestvennye i tekhnich-eskie nauki [Natural and technical sciences], 2020, No. 7 (145), pp. 158-160. EDN: WWMXCR
6. Voronov E .V., Novikova G. V., Tihonov A. A., Mihajlova O. V., Prosviryakova M. V., Sergeev Yu. A., Storchevoj V. F. Patent No. 2803127 RF, MPK A47j29/06. SVCH ustanovka s bikonicheskim rezonatorom i paketami tarelok dlya termoobrabotki myasokostnyh konfiskatov [Microwave installation with a biconic resonator and packages of plates for heat treatment of meat and bone seizures], zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). No. 2023115058, zayavl. 08.06.2023, Byul. No. 25 ot. 06.09.2023, 15 p.
7. 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 radioelektro-niki i telekommunikacij [Modern problems of radio electronics and telecommunications], 2018, No. 1, pp. 139.
8. Korolev A. A., Kondratenko V. V. Razrabotka metoda opredeleniya granichnyh uslovij obrabotki syr'ya v SVCH pole dlya nivelirovaniya termicheskoj komponenty [Development of a method for determining the boundary conditions of processing raw materials in a microwave field for leveling a thermal component], Nauchnyj zhurnal NIU ITMO. Seriya: Processy i apparaty pishchevyh proizvodstv [Scientific Journal of ITMO Research Institute. Series: Processes and devices of food production], 2021, No. 2 (48), pp. 3-12. DOI: 10.17586/2310-1164-2021-14-2-3-12.
9. Katkova T. O., Sedyshev E. Yu. Generator SVCH na kol'cevom ellipticheskom rezonatore v ob"emnom in-tegral'nom ispolnenii [Microwave generator on a ring elliptical resonator in a volumetric integral design], Elektronika i mikroelektronika SVCH [Microwave electronics and microelectronics], 2021, Vol. 1, pp. 430-433, EDN: SWJDTM.
10. Davidovich M. V., Kobec A. K., Sayapin K. A. Vozbuzhdenie pryamougol'nogo rezonatora cherez okna svyazi v konvejernoj ustanovke SVCH-nagreva [Excitation of a rectangular resonator through the connection windows in a conveyor installation of microwave heating], Fizika volnovyh processov i radiotekhnicheskie sistemy [Physics of wave processes and radio engineering systems], 2022, Vol. 25, No. 4, pp. 88-99. DOI: 10.18469/18103189.2022.25.4.88-99.
11. Kenenbaj G. S., Chomanov U. Ch., Omirzhanova B. B., Tatieva A. N. Mikrobiologicheskie pokazateli govyazh'ego rubca posle ozonirovaniya [Microbiological parameters of beef rumen after ozonation], Vse o myase [All about meat], 2023, No. 1, pp. 43-45. DOI: 10.21323/2071-2499-2022-6-43-45
12. Smirnov S. V., Morozov G. A., Morozov O. G. i dr. Razrabotka metoda kontrolya parametrov processa mikrovolnovoj pererabotki othodov zhivotnovodstva [Development of a method for controlling the parameters of the process of microwave processing of animal waste], Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal], 2020, No. 11-1 (101), pp. 67-73. DOI: 10.23670/IRJ.2020.101.11.010.
13. Fomin D. G., Dudarev N. V., Darovskih S. N., Baranov V. K. Issledovanie ob"emnogo poloskovo-shchelevogo perekhoda s P-obraznym shchelevym rezonatorom [Investigation of a volumetric strip-slit junction with a U-shaped slit resonator], Ural Radio Engineering Journal, 2020, Vol. 4, No. 3, pp. 277-292. DOI: 10.15826/urej.2020.4.3.002.
14. Ivanov A. S., Ivanov V. A., Sidorenko D. S., Oganezov N. I., Rogozhin K. V. Proryvnye elektrovolnovye tekhnologii i oborudovanie dlya utilizacii i obezvrezhivaniya othodov [Breakthrough electro-wave technologies and
63
Вестник НГИЭИ. 2023. № 11 (150). C. 53-64. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 11 (150). P. 53-64. ISSN 2227-9407 (Print)
FI РГТШГЛI ТРГНМП! nfllFS FI РГТШГДI FrtiifPMFIVT ELECTRICAL TECHNOLOG1ES, ELECTR1CAL EQU1PMENT
XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
equipment for waste disposal and neutralization], Upravlenie municipal'nymi othodami kak vazhnyj faktor ustojchivogo razvitiya megapolisa [Municipal waste management as an important factor in the sustainable development of the metropolis], 2018, No. 1, pp. 103-110. EDN: SQZUAG
15. Krapivnickaya T. O., Bulanova S. A., Denisenko A. N., Bogdashov A. A., Viharev A. A., Sobolev D. I., Peskov N. Yu. Sistema SVCH pererabotki tverdogo organicheskogo syr'ya [System of microwave processing of solid organic raw materials], SVCH-tekhnika i telekommunikacionnye tekhnologii [Microwave technology and telecommunication technologies], 2021. No. 3, pp. 380-381. EDN: WWUUEA
16. Komarov V. V., Bushanskij S. K., Churkin A. O. SVCH-fil'try na ob"emnyh rezonatorah [Microwave filters on volumetric resonators], Uspekhi sovremennoj radioelektroniki [Successes of modern radio electronics], 2021, Vol. 75, No. 6, pp. 44-67. DOI: 10.18127/j20700784-202106-05
17. Kabdin N. E., Andreev S. A. Obespechenie ravnomernosti SVCH-obrabotki sel'skohozyajstvennyh materi-alov v ob"emnom rezonatore [Ensuring uniformity of microwave processing of agricultural materials in a volumetric resonator], Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal [International Technical and Economic Journal], 2018, No. 5, pp. 42-49. EDN: YUZNUD
18. Komarov V. V., Luk'yanov M. A. Volnovodnye SVCH-fil'try: tekhnicheskie resheniya, tendencii razvitiya i metody raschyota [Waveguide microwave filters: technical solutions, development trends and calculation methods], Zhurnal radioelektroniki [Journal of Radio Electronics], 2021, No. 1, pp. 2, DOI: 10.30898/1684-1719.2021.1.9
19. Veden'kin D. A., Halikov A. Z., Habibullin R. R. Model' konvejernogo sposoba pererabotki veshchestv pri pomoshchi SVCH-nagreva [Model of the conveyor method of processing substances using microwave heating], In-zhenernyj vestnik Dona [Engineering Bulletin of the Don], 2018, No. 2 (49), pp. 50. EDN: YATERV
20. Boltovskij V. S. Ispol'zovanie SVCH-energii dlya gidroliticheskoj i biotekhnologicheskoj pererabotki ras-titel'nogo syr'ya: vozmozhnosti, sostoyanie i perspektivy [The use of microwave energy for hydrolytic and biotechno-logical processing of plant raw materials: opportunities, state and prospects], Trudy BGTU. Seriya 2: Himicheskie tekhnologii, biotekhnologiya, geoekologiya [Proceedings of BSTU. Series 2: Chemical technologies, biotechnology, geoecology], 2020, No. 1 (229), pp. 82-92. EDN: WXKICZ
The article was submitted 13.08.2023; approved after reviewing 07.09.2023; accepted for publication 08.09.2023.
Information about the authors: E. V. Voronov - Ph. D. (Economy), Associate Professor, Spin-code: 8963-4080; G. V. Novikova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 3317-5336;
S. A. Suslov - Dr. Sci. (Economy), Doctor of Economics, Associate Professor, Spin code: 4040-2965 T. A. Izosimova - Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 4957-0468; M. V. Prosviryakova - Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 5642-4560.
The stated contribution of the authors: Voronov E. V. - conducting experimental studies of the dynamics of heating of raw materials from the stomach of cattle: rumen, rennet, nets, books, writing the final version of the text, preparation of initial conclusions. Novikova G. V. - scientific manual, description of the installation with a spherical resonator, formulation of the main directions of research and conclusions.
Suslov S. A. - analysis of scientific literature on the problem of research, work on drafting the concept of increasing the efficiency of a microwave installation for continuous operation.
Izosimova T. A. - construction of a 3D model of an installation with an energy supply to a spherical resonator, modeling of three-dimensional structures of an electromagnetic field in a spherical resonator.
Prosviryakova M. V. - preparation of a literary review, determination of effective modes, calculation of the resonator's own Q-factor, design of research results in graphs.
The authors declare that there is no conflict of interest.
