CC BY
10
УДК 636.086.1:621.3.09
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ МИКРОНИЗАЦИИ ЗЕРНА
Ю.А. Собченко, соискатель
ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» E-mail: yuri217@rambler.ru
Аннотация. Выдвинута научная гипотеза о сложении электромагнитных полей, генерируемых магнетронами, в разработанном волноводе установки для микронизации зерна и последующего перевода этих полей в рабочую камеру. Целью работы является исследование распределения электромагнитного поля в волноводе и рабочей камере установки. В работе применен метод компьютерного моделирования электромагнитных полей сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств и приборов при помощи программы CST Studio. Для проведения экспериментальных исследований разработана установка для микронизации зерна, состоящая из источников СВЧ-энергии, устройства для передачи энергии, рабочей камеры и контрольно-измерительной аппаратуры. Источниками СВЧ-энергии выбраны стандартные магнетронные генераторы, работающие на частоте 2,45 ГГц, мощность каждого из которых составляет 1 кВт. В результате экспериментальных исследований выявлено, что в волноводе происходит сложение электромагнитных полей; в зерно, располагаемое в рабочей камере, подводится 95-98% общей суммируемой мощности СВЧ магнетронов. Проведено моделирование электромагнитного поля в установке, в результате чего получено подтверждение экспериментальных исследований. Разработанные компьютерные модели показывают, что подведенная по волноводу сверхвысокочастотная энергия равномерно распространяется по рабочей камере для обработки зерновых кормов. При этом в области локализации электромагнитная мощность потока составляет 13 ВА/м2. Тем самым доказана осуществимость проведения процесса микронизации при загрузке зернового сырья в рабочую камеру. Выдвинутая научная гипотеза сложения и передачи СВЧ энергии подтверждена экспериментальным путем и методом компьютерного моделирования. Ключевые слова: волновод, рабочая камера, сверхвысокочастотная энергия, сельскохозяйственные животные.
Введение. Компьютерное и математическое моделирование физических процессов и явлений, как правило, проводится для подтверждения выдвинутой научной гипотезы [1-3]. Выдвинута научная гипотеза о сложении электромагнитных полей, генерируемых магнетронами, в разработанном волноводе установки для микронизации зерна и последующем переводе этих полей в рабочую камеру. Поэтому целью работы является исследование распределения электромагнитного поля в волноводе и рабочей камере установки.
Метод проведения работ. В работе применен метод компьютерного моделирования электромагнитных полей сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств и приборов при помощи программы CST Studio.
Экспериментальная база. Микрониза-ция зерна - это предварительная микроволновая обработка зерна перед кормлением им
сельскохозяйственных животных [4, 5]. Зерно после микронизации усваивается птицей и скотом лучше за счет его термообработки, изменения структуры, вспучивания и растрескивания, что приводит к повышению обменной энергии зерна [6, 7].
Для проведения экспериментальных исследований разработана установка для мик-ронизации зерна, состоящая из источников СВЧ-энергии, устройства для передачи энергии, рабочей камеры и контрольно-измерительной аппаратуры. Источниками СВЧ-энергии выбраны стандартные магнетронные генераторы, работающие на частоте 2,45 ГГц, мощность каждого из которых составляет 1 кВт [8]. Устройством для передачи энергии выбран волновод стандартных размеров (ширина 44 мм, высота 90 мм) [9]. Научную техническую новизну представляют следующие три параметра, подобранные экспериментальным путем:
- длина волновода, составляющая 305 мм;
- расстояние от короткозамкнутого торца до оси, пролегающей через центр вращения излучателя первого магнетрона, L составляет 144 мм.
- расстояние от оси, пролегающей через центр вращения излучателя второго магнетрона, до оси, пролегающей через центр вращения излучателя первого магнетрона A, составляет 54 мм.
Рабочая камера является резонатором СВЧ электромагнитных излучений. Резонатор выбран цилиндрическим для обеспечения эффективности процесса СВЧ обработки зерна [10]. Контрольно-измерительная аппаратура включает в себя мультиметр, датчик электромагнитных излучений и измеритель температуры зерна [11].
Результаты исследования. Для подтверждения научной гипотезы о сложении СВЧ электромагнитных полей и перевода их в рабочую камеру проведено моделирование при помощи программы CST Studio. Модели волновода и рабочей камеры построены в программе Компас-3D и импортированы в CST Studio. Проанализированы особенности распространения электрического поля, полученного при комбинированной одновременной работе двух магнетронных генераторов. Первым генератором принимается источник, который размещен ближе к открытому торцу волновода. Второй магнетрон, соответственно, тот, который ближе расположен к корот-козамкнутому торцу волновода.
Распространение электромагнитного поля в волноводе на рабочей частоте 2,45 ГГц при противофазном подключении магнетронов в сеть показано на рисунке 1.
тя-' JL
Рис. 1. Распространение электромагнитного поля в волноводе установки
В правом верхнем углу отображается логарифмическая напряженность электромагнитного поля, амплитуда которой составляет 20445 В/м, что наблюдается в непосредственной близости к излучателям. В левом нижнем углу отображаются следующие характеристики: тип поля; рабочая частота источника энергии; активные волноводы; максимальная напряженность электрического или магнитного поля; фаза. Например, e-field (£=2,45) [1[1,0]+2[1,0]]. Выявлено, что при работе магнетронов на рабочей частоте 2,45 ГГц по отдельности происходит разброс силовых линий по всему объему волновода, тогда как, при противофазном способе подключения магнетронов замечена строгая локализация электромагнитных линий и подвод их к открытому торцу волновода. При этом в области локализации электромагнитная мощность потока составляет около 2,7323,27 ВА/м2. Таким образом, в усредненном виде величина электромагнитной мощности составляет 13 ВА/м2.
Такого уровня электромагнитной мощности при работе магнетронов в одиночку не наблюдается, причем эта мощность рассеивается, распределяясь по всему горизонтальному объему волновода. Силовые линии электромагнитного поля наибольшую локализацию имеют в сечении выходной открытой крышки. Однако имеются сгустки электрического поля и в месте закрытого торца.
Отмечается, что на рабочей частоте 2,45 ГГц в сравнении с распространением электромагнитного поля от одного магнетрона электрическое поле при противофазном подключении магнетронов в сеть имеет явный односторонний курс движения электромагнитных силовых линий в направлении открытого конца волновода.
Наибольшая локализованность электромагнитного поля имеется ближе к открытой части рупорного выхода. Это значит, что размеры волновода, определяемые в зависимости от длины волны, подобраны верно. В противном случае имелось бы рассогласование источника и волноводного тракта, предназначенного для передачи и транспортирования СВЧ-энергии в нагрузку [12].
При отдельной работе одного магнетрона в одиночку электромагнитное поле в волноводе распространяется неравномерно и рассредоточено, что может являться причиной потерь мощности. Через открытый торец волновода сложенная от двух магнетронных генераторов СВЧ-энергия поступает в рабочую камеру, в которой осуществляется процесс микронизации зерновых кормов за счет воздействия этой энергии на сырье. Распространение электрического поля в рабочей камере устройства сложения мощностей магнетронов на рабочей частоте 2,45 ГГц при противофазном подключении магнетронов в сеть показано в соответствии с результатами моделирования установки (рис. 2).
Рис. 2. Модели установки для микронизации зерна
Конструкцией волновода предусмотрены два направления транспортирования электрических волн. Один поток мод электромагнитного поля направляется в открытый торец волновода рупорного типа и раскрывается через него в нагрузку. Другой поток мод электромагнитного поля направляется в закрытый глухой торец, отражается от корот-козамкнутой крышки и устремляется в направлении, одинаковом с первым потоком мод. Таким образом, в сечении рупорного торца происходит сложение мод электромаг-
нитного поля, генерируемых двумя магнет-ронными источниками СВЧ-энергии. Вследствие правильного выбора материала волновода коэффициент затухания волны будет минимальным, поэтому потери мощности в стенках медного волновода будут минимальные. Открытый торец волновода показан на моделях, полученных в программе CST Studio слева, а закрытый, то есть корот-козамкнутый - справа.
Разработанные компьютерные модели показывают, что подведенная по волноводу СВЧ-энергия равномерно распространяется по рабочей камере для обработки зерновых кормов [13]. Тем самым доказана осуществимость проведения процесса микронизации при загрузке зернового сырья в рабочую камеру.
Область применения результатов. Полученные результаты позволяют говорить о правильности выдвинутой научной гипотезы о сложении электромагнитных полей в разработанном волноводе и обеспечении условий для движения и передачи этих полей в рабочую камеру и подвода к обрабатываемому зерну.
Выводы. Для проведения экспериментальных исследований разработана установка для микронизации зерна. В результате экспериментальных исследований выявлено, что в волноводе происходит сложение электромагнитных полей; в зерно, располагаемое в рабочей камере, подводится 95-98% общей суммируемой мощности СВЧ магнетронов. Проведено моделирование электромагнитного поля в установке, в результате чего получено подтверждение результатов экспериментальных исследований. Выдвинутая научная гипотеза сложения и передачи СВЧ-энергии обоснована и подтверждена экспериментальным путем и методом компьютерного моделирования.
Литература:
1. Васильев А.Н. Компьютерная модель тепловлаго-обмена в зерновом слое при СВЧ-конвективном воздействии // Инженерный вестник Дона. 2017. № 3(46).
2. Сторчевой В.Ф. Математическое моделирование стационарных процессов ионизатора-озонатора // Природообустройство. 2012. № 2. С. 78-82.
3. Жданкин Г.В. Операционно-технологическая схема переработки мягких непищевых отходов животного происхождения // Инновации в с. х. 2018. № 4. С. 229.
4. Пат. 2502450 RU. СВЧ-индукционная установка для микронизации зерна / Кириллов Н.К. Заяв. 08.07. 11; Опубл. 27.12.13.
5. Белов А.А. Конструктивные особенности СВЧ-обо-рудования для термообработки фуражного зерна // Известия ТСХА. 2015. № 4. С. 115-121.
6. Долгов Г.Л., Белов А.А., Шаронова Т.В. Установка для обеззараживания комбикормов // Вестник Чувашского ГПУ им. И.Я. Яковлева. 2013. № 4-2. С. 66.
7. Белов А.А., Жданкин Г.В., Сторчевой В.Ф. Разработка радиоволновых установок для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2016. № 10(65). С. 7-14.
8. Жданкин Г.В. Разработка и обоснование параметров многоярусной сверхвысокочастотной установки для термообработки влажного сырья в непрерывном режиме // Научная жизнь. 2017. № 4. С. 4-13.
9. Селиванов И.М. Резонаторы, обеспечивающие термообработку сырья в поточном режиме // Естественные и технические науки. 2015. № 6(84). С. 499-501.
10. Пат. 2592861 RU. Сверхвысокочастотная установка для термообработки сырья в оболочке / М.В. Белова и др. Заяв. 21.05.15; Опубл. 27.07.16
11. Топорков В.Н., Белов А.А., Мусенко А.А. Разработка лабораторной установки для ЭГ-обработки водных растворов // Инновации в с. х. 2019. № 1. С. 23.
12. Активированные защитно-стимулирующие комплексы для обработки семян льна-долгунца / Белопу-хов С.Л. и др. // Научная жизнь. 2016. № 2. С. 75-83. 13 . Васильев А.Н. Модульная установка для обработки зерна // С.-х. машины и технологии. 2014. № 5.
Literatura:
1. Vasil'ev A.N. Komp'yuternaya model' teplovlagoobme-na v zernovom sloe pri SVCH-konvektivnom vozdejstvii // Inzhenernyj vestnik Dona. 2017. № 3(46).
2. Storchevoj V.F. Matematicheskoe modelirovanie staci-onarnyh processov ionizatora-ozonatora // Prirodoobust-rojstvo. 2012. № 2. S. 78-82.
3. ZHdankin G.V. Operacionno-tekhnologicheskaya skhe-ma pererabotki myagkih nepishchevyh othodov zhivotno-go proiskhozhdeniya // Innovacii v s. h. 2018. № 4. S. 229.
4. Pat. 2502450 RU. SVCH-indukcionnaya ustanovka dlya mikronizacii zerna / Kirillov N.K. Zayav. 08.07.11; Opubl. 27.12.13.
5. Belov A.A. Konstruktivnye osobennosti SVCH-oboru-dovaniya dlya termoobrabotki furazhnogo zerna // Izves-tiya TSKHA. 2015. № 4. S. 115-121.
6. Dolgov G.L., Belov A.A., SHaronova T.V. Ustanovka dlya obezzarazhivaniya kombikormov // Vestnik CHuva-shskogo GPU im. I.YA. YAkovleva. 2013. № 4-2. S. 66.
7. Belov A.A., ZHdankin G.V., Storchevoj V.F. Razrabo-tka radiovolnovyh ustanovok dlya termoobrabotki syr'ya // Vestnik NGIEI. 2016. № 10(65). S. 7-14.
8. ZHdankin G.V. Razrabotka i obosnovanie parametrov mnogoyarusnoj sverhvysokochastotnoj ustanovki dlya termoobrabotki vlazhnogo syr'ya v nepreryvnom rezhime // Nauchnaya zhizn'. 2017. № 4. S. 4-13.
9. Selivanov I.M. Rezonatory, obespechivayushchie ter-moobrabotku syr'ya v potochnom rezhime // Estestven-nye i tekhnicheskie nauki. 2015. № 6(84). S. 499-501.
10. Pat. 2592861 RU. Sverhvysokochastotnaya ustanovka dlya termoobrabotki syr'ya v obolochke / Belova M.V. i dr. Zayav. 21.05.15; Opubl. 27.07.16
11. Toporkov V.N., Belov A.A., Musenko A.A. Razrabo-tka laboratornoj ustanovki dlya EG-obrabotki vodnyh ras-tvorov // Innovacii v s. h. 2019. № 1. S. 23.
12. Aktivirovannye zashchitno-stimuliruyushchie komp-leksy dlya obrabotki semyan l'na-dolgunca / Belopuhov S.L. i dr. // Nauchnaya zhizn'. 2016. № 2. S. 75-83.
13. Vasil'ev A.N. Modul'naya ustanovka dlya obrabotki zerna // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2014. № 5.
MODELING OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD IN AN INSTALLATION FOR GRAIN'S MICRONIZATION Y.A. Sobchenko, applicant
FGBNY "Federal research of agroengineering center VIM"
Abstract. A scientific hypothesis about the of electromagnetic fields generated by magnetrons in the developed grain micronization installation's waveguide summarizating and these fields' subsequent transfer to the working chamber has been nominated. The purpose of this work is electromagnetic field distribution in the waveguide and working chamber of this installation studying. The paper uses the computer simulation of electromagnetic fields of ultrahigh frequency (SWCh) of devices and tools method at the CST Studio program's using. A grain micronization installation consisting of SWCh energy sources for an energy transfer device, a working chamber, and control-and-measuring equipment for experimental research has been developed. As SWCh- energy sources the standard magnetron generators operating at 2,45 GHz frequency, 1 kW of power are chosen. As an experimental studies result, it was found that in the waveguide it the addition of electromagnetic fields is summarized; the grain located in the working chamber over 95-98% of the SWCh total power of magnetrons is supplied. Simulation of the electromagnetic field in this installation was performed, that resulting of experimental studies' confirming. The developed computer models show that the ultra-high-frequency energy supplied by the waveguide evenly through the working chamber for grain's feed processing is distributed. At the same time, in the localization area, the electromagnetic flow power is 13 V*A/m2. Thus, the micronization process carrying out feasibility at grain raw materials into the working chamber loading is proved. The proposed scientific hypothesis of microwave energy summarized and transferred experimentally and by computer modeling is confirmed.
Keywords: waveguide, working chamber, ultra-high-frequency energy, farm animals.
