Обоснование параметров СВЧ-конвективной хмелесушилки с металлодиэлектрическими резонаторами Текст научной статьи по специальности «Сельскохозяйственные науки»

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX

XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ XXXXXXX

Научная статья

УДК 636.92, 621.385.6

Б01: 10.24412/2227-9407-2022-11-45-56

Обоснование параметров СВЧ-конвективной хмелесушилки с металлодиэлектрическими резонаторами

Наталья Геннадьевна Горячева

Академия гражданской защиты МЧС России, г. о. Химки, Россия, [email protected], https://orcid.org/ORCID 0000-0003-4874-3922

Аннотация

Введение. Известна технология сушки хмеля в ленточной сушилке. Хмель, влажностью 76-82 %, распределяют слоем 1-1,5 м и вентилируют воздухом в течение 12-14 ч. Далее пересыпают на верхнее сито толщиной 12-14 см, где сохнет 40-100 мин. в зависимости от исходной влажности, после чего пересыпают на сито следующего яруса. Процесс сушки шишек хмеля на ситах разных ярусов - 6-8 ч. Температура сушки -45-60 градусов.

Материалы и методы. Статья содержат теоретические расчеты по проектированию хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле по малообъемной технологии для фермерских хозяйств. Результаты и обсуждение. Приведены теоретические расчеты трехэтапной сушки на основе уравнений теплового баланса и динамики диэлектрического нагрева с учетом изменения электрофизических параметров хмеля в процессе сушки. Эти результаты легли в основу проектирования хмелесушилки, содержащей поярус-но состыкованные с боковыми поверхностями металлодиэлектрические цилиндрические резонаторы с закрытыми неферромагнитными основаниями, представленные в виде соосно расположенных открытых неферромагнитных резонаторов, керамических зеркал и фторопластовых ячеистых барабанов. Барабан выполнен в виде сплошного фторопластового цилиндра, диаметром, кратным половине длины волны, вдоль боковой поверхности его равномерно установлены фторопластовые перегородки, толщиной более четверти волны. Открытый неферромагнитный резонатор представлен из двух разделенных равных частей боковой поверхности цилиндра так, что между частями образованы прорези. Магнетроны прикреплены на боковых поверхностях каждого металлодиэлектрического резонатора так, что излучатели направлены через керамические зеркала в соответствующие их объемы. Воздуховоды прикреплены с одного торца каждого металлодиэлектрического резонатора, а с другого торца установлены воздухоотводы.

Заключение. Определены и теоретически обоснованы эффективные режимы сушки. На основании анализа кинетики сушки хмеля в качестве управляемых факторов, влияющих на процесс сушки, приняты: температура входящего воздуха; скорость сушильного агента; удельная мощность генератора.

Ключевые слова: диэлектрический шнек, керамические зеркала, конвективный и диэлектрический нагрев, ме-таллодиэлектрический резонатор, сушка

Для цитирования: Горячева Н. Г. Обоснование параметров СВЧ-конвективной хмелесушилки с металлодиэлектрическими резонаторами // Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). С. 45-56. Б01: 10.24412/2227-9407-202211-45-56

© Горячева Н. Г., 2022

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.

Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). C. 45-56. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 45-56. ISSN 2227-9407 (Print)

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^ё

lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC lRlCAL EQUlPMENl

XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX Substantiation of the parameters of a microwave convective hop dryer

with metal-dielectric resonators

Natalia G. Goryacheva

Academy of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Russia, Khimki, Russia, [email protected], https://orcid.org/ORCID 0000-0003-4874-3922

Abstract

Introduction. The technology of drying hops in a belt dryer is known. Hops with a humidity of 76-82 % are distributed in a layer of 1-1.5 m and ventilated with air for 12-14 hours. Next, they are poured onto an upper sieve with a thickness of 12-14 cm, where it dries for 40-100 minutes, depending on the initial humidity, after which they are poured onto a sieve of the next tier. The process of drying hop cones on sieves of different tiers 6-8 hours. The drying temperature is 45-60 degrees.

Materials and methods contain theoretical calculations for the design of a hop dryer with power supply in an electromagnetic field using low-volume technology for farms.

The results and discussions present theoretical calculations of three-stage drying based on the equations of thermal balance and dynamics of dielectric heating, taking into account changes in the electrophysical parameters of hops during drying. These results formed the basis for the design of a hop dryer containing tiered metal-dielectric cylindrical resonators with closed non-ferromagnetic bases, presented in the form of coaxially arranged open non-ferromagnetic resonators, ceramic mirrors and fluoroplastic cellular drums. The drum is made in the form of a solid fluoroplastic cylinder with a diameter multiple of half the wavelength, fluoroplastic partitions with a thickness of more than a quarter of a wave are uniformly installed along its side surface. An open non-ferromagnetic resonator consists of two equal parts separated from the side surface of the cylinder, so that slots are formed between the parts. Magnetrons are attached to the side surfaces of each metal-dielectric resonator, so that the emitters are directed through ceramic mirrors to their respective volumes. The air ducts are attached from one end of each metal-dielectric resonator, and air vents are installed from the other end.

Conclusion. Effective drying modes are determined and theoretically justified. Based on the analysis of the kinetics of drying hops, the following factors affecting the drying process are taken as controlled factors: the temperature of the incoming air; the speed of the drying agent; the specific power of the generator.

Key words: metal-dielectric resonator, drying, ceramic mirror, dielectric screw, convective and dielectric heating

For citation: Goryacheva N. G. Substantiation of parameters of a microwave convective hop dryer with metal-dielectric resonators // Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 45-56. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-11-45-56

Введение

Основной регион в России, где валовый сбор хмеля достигает до 90 %, - это Чувашская Республика. Концепция развития хмелеводства в Чувашской Республике на 2020-2025 годы, утвержденная 20.08.2020 г. за номером 738-р, предусматривает освоение до 45-50 га новых площадей под хмель, из расчета 15-17 га на одну хмелесушилку, закупку хмелесушилок ХС-400, работающих на принципе конвективного подвода тепла1.

Известно, что при влажности шишек хмеля 70-80 % наблюдается самосогревание и ухудшение качества сырья. При самосогревании происходит окисление горьких веществ, т. е. снижение в шишках содержания а-кислоты и мягких смол; испаре-

ние и окисление эфирных масел приводит к потере характерного хмелевого запаха. При неправильной сушке теряются товарные качества хмеля [1; 2; 3]. Свежеубранный хмель не может храниться долго, поэтому он должен быть высушен в течение нескольких часов. Для сушки используют разные способы, в том числе ленточные сушилки непрерывного действия с автоматическим регулированием температуры и скорости лент в зависимости от влажности хмеля. Процесс обезвоживания происходит при температуре 40-65 градусов. Более высокая температура отрицательно влияет на качество хмеля. Известно, что при температуре 110 °С в течение часа окисляется 68 % альфа-кислоты, 59 % бета-кислоты, а 80-90 % эфирных масел улетучиваются2.

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ X

Технология сушки хмеля в ленточной сушилке осуществляется следующим образом. Све-жеубранный хмель, влажностью 76-82 %, распределяют слоем 1-1,5 м и вентилируют воздухом, подогретым за счет теплопотерь сушильных камер в течение 12-14 ч. Это на 25 % сократит производственные площади для размещения хмеля на поярус-но расположенные сита. На верхнее сито загружают толщиной 12-14 см, где сохнет 40-100 мин. в зависимости от исходной влажности. Далее ситовую раму поворачивают, и шишки хмеля пересыпаются на сито нижнего яруса, и процесс сушки повторяется на последующих ярусах. Процесс сушки шишек одной загрузки на ситах разных ярусов - 6-8 ч. Температура сушки - 45-60 градусов при естественной тяге воздуха 0,1-0,15 м/с [3].

Сушка хмеля при температуре выше 65 °С и применение принудительной циркуляции теплоносителя (0,6 м/с) резко увеличит производительность, но шишки хмеля очень легкие, хрупкие, при их перемещении легко отламываются чешуйки и теряется лупулин. Влажный воздух непрерывно отводится, что позволяет уменьшить продолжительность сушки. Лепестки (6-7 %) и шишка (10-12 %) хмеля могут иметь разную влажность в конце процесса сушки. Для достижения однородности влаги в структуре хмель помещают в специальный бункер. Влажность хмеля, предназначенного для хранения, не должна превышать 13 % [2].

Технология сушки хмеля конвективным способом (сушилка ХС-400) реализовывается в хмеле-сушилках, где удельные энергетические затраты остаются высокими [1].

Поэтому разрабатывается хмелесушилка для реализации интенсивной технологии сушки хмеля с источниками сверхвысокочастотной энергии и конвективного тепла, позволяющими за счет избирательного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ, 2450 МГц, длина волны 12,24 см) повысить равномерность, снизить эксплуатационные затраты.

Известны СВЧ-конвективные хмелесушилки непрерывно-поточного действия с резонаторами разного конструкционного исполнения и с керамическими зеркалами, позволяющими концентрировать энергию электромагнитных полей сверхвысокой частоты в объемах резонаторов. Они описаны в патентах № 2772987, № 2770628, № 2772992, № 2774186 [4; 5; 6; 7].

Разрабатывается хмелесушилка непрерывно-поточного действия с тремя поярусно расположенными рабочими камерами в виде металлодиэлектри-ческих резонаторов с керамическими зеркалами, обладающими малыми потерями энергии за период колебания относительно запасенной в системе энергии, и с перфорированными фторопластовыми ячеистыми барабанами. Фторопластовые барабаны выполняют функции диэлектрических волноводов. Достоинства диэлектрического волновода [8; 9, с. 359; 10]:

- простота конструкции, менее жесткие требования к размерам;

- малое затухание при использовании фторопласта, на сантиметровом диапазоне коэффициент ослабления соизмерим с коэффициентом ослабления в неферромагнитном волноводе;

- высокая электрическая прочность.

Диэлектрический волновод возбуждают с помощью неферромагнитного резонатора. Для этого вдоль поверхности устанавливают неферромагнитные материалы, тогда будет металлодиэлектриче-ский резонатор. Итак, если резонатор выполнен из сплошного цилиндрического фторопластового волновода круглого сечения и вдоль его поверхности размещены неферромагнитные пластины через зазор, то резонатор будет металлодиэлектрическим (полосково-щелевой резонатор) [5]. На этом принципе проектирован фторопластовый ячеистый барабан внутри открытого неферромагнитного резонатора.

Материалы и методы

Теоретические расчеты по проектированию хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле по малообъемной технологии для фермерских хозяйств проведены на основе аппаратного оформления процесса сушки и на основе анализа кинетики сушки хмеля конвективным способом и диэлектрическим нагревом.

Результаты и обсуждение

Аппаратурное оформление процесса сушки хмеля включает три ступени, через которые последовательно проходит свежеубранный хмель [11]. Степень высушивания в каждой зоне определяется совокупностью управляющих воздействий. На основании анализа кинетики сушки хмеля конвективным способом в качестве управляемых факторов из числа основных, влияющих на процесс сушки, были приняты: температура входящего воздуха Твх (оС); скорость сушильного агента и (м/с); удельная нагрузка хмеля на площадь резонатора Gc/F (кг/м2);

i electrical technologies, electrical equipment

AND POWER SUPPLY IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX

удельная производительность по сухому хмелю Qc/F (кг/м2-ч).

ь

(Q / F), = (G / F),. , ' . „. (1)

на определение безусловного оптимума некоторой новой целевой функции. Новая целевая функция может быть представлена в виде:

[ In (U u )]' Целевую функцию трехэтапного процесса

Ф = ~(GC /F

К

1п(«м / u )

сушки хмеля можно представить:

к

(q / f), = (g / f), •

+ а

{[(& /F)-Q /F)2]2 + [(Q /F)2 -Q /F)з]2} ^ min.(4)

max.

(2)

[ 1п ( М V м)] Математическое описание процесса сушки ий зоны определяли по методике Гинзбурга А. С. [11]. При непрерывно-поточном режиме сушки условие неразрывности процесса в трех резонаторах требует равенства удельных производительностей по сухому хмелю в каждом резонаторе, т. е.

= = (3)

Для реализации условия по формуле 2 воспользовались методом обобщенного критерия. Суть метода заключается в замене задачи определения оптимума с ограничениями типа равенств, задачей

Максимальное значение функции можно определить с учетом ограничений, наложенных на независимые переменные. Выбор граничных условий, накладываемых на переменные факторы ^с / F), Т, проводили на основании исследований кинетики сушки хмеля СВЧ-конвективным способом с учетом рекомендаций. Расход входящего воздуха выбирали на основании зависимости критической скорости от влажности хмеля, с учетом возможных значений щ, и2, и3. Схематическое изображение трехэтапной сушилки с указанием основных параметров приведено на рис. 1.

Iрезонатор / I Resonator

IIрезонатор / II Resonator

III резонатор / III Resonator

щ

u2

Uk

(Gc/F)b Vu Т

(Gc/F)n, V2, Т2

t t t

(Gc/F)in, V3, Т3

u

н

Рис. 1. Схематическое изображение трехэтапной сушилки с указанием основных параметров: V — объемный расход сушильного агента, м3/с; u — влагосодержание в образце хмеля, кг/кг Fig. 1. Schematic representation of a three-stage dryer, indicating the main parameters: V- volume flow rate of the drying agent, m3/s; u - moisture content in the hop sample, kg/kg Источник: составлено автором на основании [11]

На основании предварительных исследований приняты следующие значения скорости воздуха в резонаторах: в первом 2,7 м/с; во втором 2,4 м/с; в третьем 1,8 м/с.

Граничные условия по температуре входящего воздуха Твх можно определить из уравнения теплового баланса с учетом заданной производительности сушилки:

р • с -и-(Т -Т ) =

Г в в \ вх вых /

= (Ос / F) • г • (йы / dт) + / F) • сх • ^ых / йт), (5)

где р - плотность воздуха, кг/м3; св - теплоемкость воздуха, кДж/кг оС; Твх, Твых - входная и выходная температура, °С; йи/йт - изменение влагосодержа-ния, %/с.

Отсюда

твх = тых + gc • г• к• ы/(Fрев и). (6) Для хмеля при сушке СВЧ-конвективном энергоподводе по аналогии семян хлопчатника [11] в первом приближении можно использовать формулу: к = 0,244 • Р145 • Т0517 • Щ0302 • 10-0'13'°, (7) к = (1,194-0,261) 1/мин.; Р - выходная мощность СВЧ-генератора, Вт; В — опушенность шишек (41,7-12,3 %).

Для исследования динамики нагрева свеже-убранного хмеля (влажность 79-80 %) необходимо учесть изменения его электрофизических параметров в процессе воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), а именно:

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ ]

диэлектрическую проницаемость (е), тангенс угла диэлектрических потерь ^ё), фактор диэлектрических потерь (к) , теплоемкость (С) и плотность (р). Диэлектрические параметры анализированы по данным Рогова А. И. [12]. Фактор диэлектрических потерь при температуре (25-60 °С) описывается

1 1 то -0,024Т

уравнением тренда: к = 3,28-е ; теплоемкость при влажности 70 % равна 3800 Дж/кг-°С, плотность хмеля — р = 200 кг/м3. Формулы, описывающие мощность диэлектрических потерь через диэлектрические параметры сырья (к) и электродинамические параметры системы (Е, /), а также через физические параметры сырья, известны [11]: Руд = 8,85-10-4(Ф / см)-2-ж-f■k■Е2 =

= 0,556-10 -/-к-Е 2(В / см), Вт / см3. (8) р = — р-С1 = "^.^.Кёж = 10-3 Вт , (9)

Дг

3 о

Г с м кг- С

дт _руд-r-10

см

Дг р-C 0,555-10~12 - f-k-Е2(В/см)2-r-10~3

200-3,8

ДТ_ 0,555-1012-2450-106-3,28-е~0'024-Т -Е2 - 0,76 -10~3 Дг "

(10)

200 3,

оС

= 4,46-109 -е-°,°24Г -Е2(В/см)2,——. (11)

с

— = 4,46-109 -е-0'024-Т-Е 2( В / см)2,—; Дг

с

dr = -

dT

4,46-109-е-0'024-Т-Е2 (В / см)2'

(12)

1

4,46- 10 • Е2

Т dT ;

(13)

г = -

е0'024-Т = 4,46 -1Q-9- Е2 -г;

4,46- 10 • Е1 0,024-Т = 1п(4,46-109-Е2-г). (14)

После интегрирования выражения (13) получено уравнение, описывающее динамику эндогенного нагрева хмеля в ЭМПСВЧ, в виде зависимости приращения температуры от продолжительности воздействия электрического поля разной напряженности: 1п (4,46 -10-9-Е2-г)

0,024

(15)

Графики, характеризующие динамику нагрева хмеля при разных напряженностях ЭП, приведены на рис. 2.

Расчеты показывают, что, например, при напряженности электрического поля, равной 2000 В/см, и продолжительности воздействия 300 с приращение температуры нагрева хмеля влажностью 72 % составит 69,9 °С. Эмпирические выражения динамики нагрева (°С/с) хмеля при разных значениях напряженности ЭП в резонаторе: 1 ) 1,2 кВ/СМ: Т= 12-е0 0027т; 2) 2 кВ/см: Т = 2,28-т0'59. (16)

Если обеспечить в трех резонаторах по 2 кВ/см, то за 10 мин. в единице объема хмеля температура диэлектрического нагрева составит 99—100 °С. Но температура нагрева хмеля выше 65—70 °С не допускается, следовательно, за 5—6 мин. пребывания в трех резонаторах шишки хмеля нагреются до 65—70 °С.

0,024 - Т

е

120 ^ 100 и и a tf80 & 5 £ S 60 a <u 1 f 40 £ H 20 0 0 0

♦ 1 ,2 к В/ см л 9 8 78

9 1 1

■ 2 0 к В/ с л : 2

6 9 9 y / = ,2 '8 •T 0,5 У

1 1

5 0 56 1

48 < ►

3 8

4 22 1 5 2 7, 33 1' >-e 0 10' >7-

4 1-

0 18 ? 4

) 10 0 П ро 20 >д 0 ол 1Ж ;и те 30 Д] 0 эН ос ;т ], 40 с 0 / I X ira iti 50 or 0 i, se c. 60 0 7(

Рис. 2. Динамика нагрева хмеля при разных напряженностях ЭП: 1,2 кВ/см; 2,0 кВ/см Fig. 2. Dynamics of hop heating at different EP voltages: 1,2 kV/cm; 2,0 kV/cm Источник: составлено автором

ft

*

я

к

о w

я И

ЬЗ CD

Н Я

О Н

►О Я

р а

Ж, «

Я О

о

W о

о Е яс

о о я О) ft

ft u>

н о о

Яс я

5 Й Я р о

о § я

ti о

я ш ТЗ о

to н

Й й я

ft ft ^

я Я

4 я о о 8 я

ft о н бг1

я X

я ш н

о Й ft

ft я £ я ft

ft ТЗ

u> я

О л

я р ft о ^

н о я о я О4

ft о я

ft и ft О

v; Е я и я Я

О

о а: о

05

а;

о*

§

Я ?!

ft

н р

и и о tl Я ш и ft

8. 3

о\ д ^ к о Я

3 g л S

ft я Я S Я to

Ш ►о й ft

ft ы

я о

О ^

2 Я

о ^ Л '

я

Я

я р

§

0 "а ГО Я

Л s

1 О

a S

я о

•S J 3 ^

з S

о

05

Я Я

я

(л

о

Я О

О

Й я

Й р

о\

о £

р

ft

и

я

о to

v: о Я О

о о о

Е

я о

W

ё я

Е

Or*

нн 3

ГО ft

J* и

74 ft

ч о

ft ^

Я "

ft

р

и

isj (У

5

to 2

Я ¡5

ft

i и о tl я

я

В §

g i я

я й

я

Я о

ft g

3

О/

о §

я я

Я'

to W

и to ft н о to

ft

Е w Я

0

1

я

о

3

л я о

о

я о я

W ft

п

я

W Я< Р

о я

ы Р ft ТЗ

ю

ю

Скорость нагрева хмеля, °С/с /

Hop heating rate, °С/с о о о о о о о о о о

О О О ^ —' 1—' 1—' ""

I

к>

И я

(Г я

° Я

1-р

» и

JL а,

3

3 §

иЗ ГТ)

09 О

F §

^ я

О О

S й

м to

Ъ-n

оо

к>

к>

ti С ft ►О

21 s

OQ p

yj OJ

5 ¿=1

^ s

3 я

1 I

o' s

M gj

Sj я

er Ц

о тз

^3 ft

h-7- CO

а Й

3' OQ

p to

S О. ^

н a s

О ft5 тз

* I I

s s а

.«. о

о о о н

ё Й ft я о

йг *

а. я

о ►о

№ Й ft 8 н— ft

о- я и я О

„ „ о

ri я ^

Ъ &

СЛ

ё 3

о

3

ш я

Ьо Я"

< я о Ю

з гг

(7Г ^

< Я

3 о

S's

< *

Температура нагрева хмеля, °С / Hop heating temperature,

ю о

о

00 о

о о

ю о

о о

$

о

tl о

и *

я

Й и tr

я о о н №

ю о о

OJ

о о

о о

о о

0\ о о

о о

ю

с.

J I

■t +

j

7 1

J г 0 л

-Р 2 г г ■Г

g

4

L Л Ч

У 0 Ч

и; \

к

\

\

1

1 чГ

0<

"г >с \

>

i

я

W ft tl ft я

ft я я

е»

р и

я р

и ft

й я

о тз

к» 3 ft

2 я

£ ° я

я я

I

я

я р

я

I ft

W р

я а я д

ы ^

р U

И к»

Я J • О

я -U

о о н я

я Я

«5

G ® 5 Ю Р

£

I—' !-)

о О

я

W ft tl ft я Е

Я р

я

о

я

о и to

о н Я

я р

ft

W р

ft Й to

о н

я

М ft

я

я

о

о

н

я

и tr

я о о н я

W

о ы tl ft яс о н

w 13

s а

to ¡5 ft

^ 8 я

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ ]

электрическими резонаторами, каждый из которых представлен в виде соосно расположенных открытого неферромагнитного резонатора, керамических зеркал и фторопластового ячеистого барабана.

СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами содержит поярусно состыкованные с боковыми поверхностями металлодиэлектрические цилиндрические резонаторы с закрытыми неферромагнитными основаниями (рис. 5). Каждый ме-таллодиэлектрический резонатор представлен в виде соосно расположенных открытого неферромаг-

нитного резонатора 4, керамических зеркал 5 и фторопластового ячеистого барабана 6, 7. Фторопластовый секционный барабан, вращающийся от электропривода 11, выполнен в виде сплошного фторопластового цилиндра 6, диаметром, кратным половине длины волны, вдоль боковой поверхности его равномерно установлены фторопластовые перегородки 7, толщиной более четверти волны. Открытый неферромагнитный резонатор 4 представлен из двух разделенных равных частей боковой поверхности цилиндра так, что между частями образованы прорези.

Рис. 5. СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами: а) общий вид в разрезе с позициями, без торцевых стенок; б) перфорированный фторопластовый ячеистый барабан; в) открытый неферромагнитный резонатор без оснований; г) керамические зеркала; 1 — загрузочная емкость; 2 — задвижка; 3 — воздухоотвод; 4 — открытый неферромагнитный резонатор; 5 — керамическое зеркало; 6 - перфорированный фторопластовый ячеистый барабан; 7 - перфорированные фторопластовые перегородки; 8 — приемная емкость;

9 — задвижка; 10 — воздуховод; 11 — электропривод барабана; 12 — магнетроны Fig. 5. Microwave convective continuous-flow hop dryer with metal-dielectric resonators: a) general view in section with positions, without end walls; b) perforated fluoroplastic cellular drum; c) open non-ferromagnetic resonator without bases; d) ceramic mirrors; 1 — loading tank; 2 — gate valve; 3 — air outlet; 4 — open non-ferromagnetic resonator; 5 - ceramic mirror; 6 - perforated fluoroplastic cellular drum; 7 — perforated fluoroplastic partitions;

8 — receiving tank; 9 —gate valve; 10 — air duct; 11 - electric drum drive; 12 - magnetrons Источник: разработано в научной школе Новиковой Г. В.

в

г

а

I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX

Над верхней прорезью первого открытого резонатора расположена неферромагнитная загрузочная емкость 1 с задвижкой 2. Под нижней прорезью открытого резонатора последнего яруса прикреплена неферромагнитная приемная емкость 8 с неферромагнитной задвижкой 9. Прорези, состыкованные на промежуточных ярусах, образуют канал перемещения сырья. Магнетроны 12 воздушного охлаждения прикреплены на боковых поверхностях каждого металлодиэлектрического резонатора так, что излучатели направлены через керамические зеркала 5 в соответствующие их объемы. Неферромагнитные воздуховоды 10 от соответствующих тепловых пушек прикреплены с одного торца каждого металло-диэлектрического резонатора, а с другого торца установлены неферромагнитные воздухоотводы 3.

Для реализации такого технологического режима сушки предусмотрено регулирование:

- продолжительности воздействия ЭМПСВЧ на шишки хмеля в каждом резонаторе путем изменения частоты вращения соответствующего фторопластового барабана;

- параметров теплоносителя от тепловых пушек (температуры, скорости и относительной влажности воздуха);

- объема загрузки шишек хмеля в металлоди-электрические резонаторы с регулированием зазора с помощью неферромагнитных задвижек;

- мощности СВЧ-генераторов.

Скорость сушки хмеля зависит от удельной мощности СВЧ-генераторов в каждом резонаторе и от параметров конвективного теплоносителя.

Процесс сушки шишек хмеля в СВЧ-конвективной хмелесушилке происходит следующим образом. Закрыть неферромагнитные задвижки 2, 9 и загрузить хмель в загрузочную емкость 1. Включить все электрические тепловые пушки на соответствующие производительности и мощности нагревательных элементов. Включить электроприводы 11 фторопластовых ячеистых барабанов 6, 7. Открыть неферромагнитную задвижку 2, после того как шишки хмеля окажутся в металлодиэлектриче-ском резонаторе первого яруса, включить магнетроны первого яруса на определенную мощность, а магнетроны, расположенные на металлодиэлектри-ческих резонаторах последующих ярусов, следует включать только при наличии в них сырья. Фторопластовые барабаны выполняют функции диэлектрических волноводов. Принцип действия диэлектрического волновода основан на полном отраже-

нии волны от границы фторопласт—шишки хмеля. Относительная диэлектрическая проницаемость фторопласта е1 = 4-6, а хмеля при продувании конвективным теплым воздухом е2 = 2-4. Перенос энергии вдоль полностью отражающей границы осуществляется двумя волнами: направляемой, распространяющейся внутри фторопласта, и поверхностной, распространяющейся в хмеле во взвешенном состоянии [9; 13]. В отличие от неферромагнитного волновода граничная задача в случае диэлектрического волновода решается раздельно для областей внутри и вне цилиндра [14; 15], т. е. для направляемой и поверхностной волн. На границе раздела двух сред касательные составляющие напряженности электрического и магнитного полей будут непрерывными. При возбуждении волны в фторопластовом барабане на его поверхности (включая на поверхности фторопластовых перегородок) возникают поверхностные токи смещения, появляется гибридная волна, содержащая обе продольные компоненты магнитной и электрической составляющих. На частоте больше критической частоты почти вся энергия концентрируется внутри фторопластового барабана и переносится направляемой волной. Благодаря применению керамических зеркал, обладающих малым углом диэлектрических потерь (менее 10-3), концентрация энергии электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшение потерь на излучение достигаются. Шишки хмеля, находясь в отсеках фторопластового барабана, подвергаются воздействию ЭМПСВЧ и нагреваются эндогенно, поверхностная влага снимается теплым воздухом, поступающим через воздуховод 10 от тепловой пушки. Влажный воздух удаляется через воздухоотвод 3. Шишки хмеля перемешиваются в щадящем режиме при вращении фторопластового барабана и нагреваются равномерно при высокой напряженности электрического поля (1,2-3 кВ/см) в отсеках во взвешенном состоянии. Напор и температура теплого воздуха в каждом металлодиэлек-трическом резонаторе согласованы со скоростью перемещения сырья и влажностью.

Регулированием мощности генераторов можно получить необходимую напряженность ЭП в резонаторе. При диэлектрическом нагреве градиенты давления, температуры и влажности направлены от центра к периферии шишек хмеля. Поэтому из шишек хмеля выделяется связанная влага, которая с поверхности шишек удаляется конвективным способом.

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ ]

Под воздействием ЭМПСВЧ шишки хмеля эндогенно нагреваются равномерно по всему сечению, так как глубина проникновения волны соизмерима с размерами шишек хмеля. В связи с тем, что расстояние между перегородками фторопластового барабана меньше двух глубин проникновения волны (5-6 см) в хмель и продувается теплым воздухом определенного напора, поэтому он по толщине равномерно нагревается [16; 17; 18].

Отработанный влажный воздух из каждого металлодиэлектрического резонатора удаляется через воздухоотводы 3. Высушенный хмель до 10—11 % выгружается в приемную емкость 8. Во всех трех резонаторах доза воздействия ЭМПСВЧ, температура и напор подаваемого воздуха контролируются и регулируются в зависимости от влажности хмеля путем изменения мощности генераторов и нагревательных элементов. При соблюдении эффективных режимов СВЧ-конвективной сушки шишек хмеля разной скоростью в поярусно расположенных металлодиэлектрических резонаторах при разных напряженностях электрического поля хмель высыхает в щадящем режиме и с сохранением потребительских свойств. Скорость сушки зави-

сит от удельной мощности генераторов в каждом резонаторе и от параметров теплоносителя: температуры, скорости и относительной влажности воздуха [19; 20]. Хмелесушилка снабжена контрольно-измерительной аппаратурой, пультом дистанционного управления.

Заключение

На основании анализа кинетики сушки хмеля конвективным способом в качестве управляемых факторов, влияющих на процесс сушки, приняты: температура входящего воздуха; скорость сушильного агента; удельная нагрузка хмеля на площадь резонатора; удельная производительность по сухому хмелю. Если обеспечить в трех резонаторах по 2 кВ/см, то за 10 мин. в единице объема хмеля температура диэлектрического нагрева составит 99—100 °С. Но температура нагрева хмеля выше 65—70 °С не допускается, следовательно, за 5—6 мин. пребывания в трех резонаторах шишки хмеля нагреются до 65—70 °С.

За счет совмещения фторопластового барабана с функциями диэлектрического волновода и перемещающего сырье механизма удельные энергетические затраты на процесс сушки снижаются.

Примечание:

1 Распоряжение № 738-р об утверждении Концепции развития хмелеводства в Чувашской Республике на 2020-2025 годы [Электронный ресурс]. Режим допуска: km.cap.ru>doc/laws/2020/08/20/disposal-738-r.

2 ГОСТ 32912-2014. Хмелепродукты. Общие технические условия [Электронный ресурс]. Режим доступа: docs.cntd.ru>document/1200114739

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Лукаев С. Л. Проведение научных исследований процесса сушки хмеля и разработка экспериментальной сушилки // Инженерные кадры - будущее инновационной экономики России. 2019. № 1. С. 118-122.

2. Зайцев Г. В. Сушка хмеля в электромагнитном поле высокой частоты : автореферат дис. ... кандидата технических наук / Моск. гос. агроинж. ун-т. Москва, 1996. 18 с.

3. Васильев А. О., Андреев Р. В., Алексеев Е. П., Иванщиков Ю. В. Исследование технологического процесса сушки хмеля в сушилке ПХБ-750 // Вестник Чувашской ГСХА. № 1 (8). 2019. С. 96—102.

4. Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Горячева Н. Г., Михайлова О. В., Новикова Г. В. Патент № 2772987 РФ, МПК С12С3/02; F26B3. Многорезонаторная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле / Заявитель и патентообладатель РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева ^Ц). № 2021132821 от 11.11.2021. Бюл. № 16 от 30 05.2022.

5. Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Горячева Н. Г., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Зиганшин Б. Г. Патент № 2770628 РФ, С12С3/02; F26B3. СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с полусферическим резонатором / Заявитель и патентообладатель НГИЭУ ^Ц). № 2021136688 от 13.12.2021. Бюл. № 11 от 19.04.2022.

6. Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Горячева Н. Г., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Зиганшин Б. Г. Патент № 2772992 РФ, С12С3/02; F26B3. Хмелесушилка с тороидальными и астроидальными резонаторами с энергоподводом в электромагнитном поле / Заявитель и патентообладатель НГИЭУ ^Ц). № 2021135280 от 01.12.2021. Бюл. № 16 от 30.05.2022.

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nízirs fi ргтшгд! рпшрмрмт^^^^^^^^^ё

lyvMIvMIII^ ELE C1 Kl CAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUlPMENl

XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX_

7. Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Горячева Н. Г., Михайлова О. В., Новикова Г. В. Патент № 2774186 РФ, МПК С12С3/02; F26B3. Хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева / заявитель и патентообладатель РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева (RU). № 2021121317; заявл. 19.07.2021. Бюл. № 12 от 16.06.2022.

8. Егоров В. Н. Микроволновые диэлектрические резонаторы в физических измерениях: дис. доктора физико-математических наук: 01.04.01. Иркутск : Иркутский ГТУ, 2014. 367 с.

9. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны : Учебное пособие. М. : РИОР: ИНФРА-М, 2014. 375 с.

10. Золин А. Н. Расчет и исследование цилиндрических резонаторов с неоднородным диэлектрическим заполнением : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Нижний Новгород, 2001. 196 с.

11. Гинзбург А. С., Громов М. А., Красовская Г. И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов // Пищевая промышленность. 1980. № 4. С. 288.

12. Рогов И. А., Некрутман С. В., Папкова В. Б., Билетова Н. В. Влияние режимов СВЧ-термообработки на микроорганизмы // Молочная и мясная промышленность. 1982. № 4. С. 35.

13. Жданкин Г. В., Сторчевой В. Ф., Зиганшин Б. Г., Новикова Г. В. Разработка и обоснование параметров многоярусной сверхвысокочастотной установки для термообработки влажного сырья в непрерывном режиме // Научная жизнь. 2017. № 4. С. 4-14.

14. Дрогайцева О. В. Повышение уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов в СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов: дис. канд. техн. наук. Саратов : СГТУ, 2011. 207 с.

15. Пихтелеев Н. А. Цилиндрические металлодиэлектрические резонаторы в аппаратуре для физических исследований. Автореферат дисс. ... к.т.н. Нижний Новгород : Нижегородский НИИ приборостроительный институт, 2005, 20 с.

16. Шевелев А. В., Михайлова О. В., Новикова Г. В., Просвирякова М. В. Обоснование собственной добротности резонаторов СВЧ-установок для вытопки пасечного воска // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2020. № 8 (190). С. 124-130.

17. Коровин Е. Ю., Сусляев В. И., Ульянова О. А. Расчет комплексной диэлектрической проницаемости по результатам измерений коэффициента отражения прямоугольного резонатора на СВЧ // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2017611876, 09.02.2017. Заявка № 2016663667 от 13.12.2016.

18. Крылов В. П. Определение диэлектрической проницаемости материалов при высокотемпературном нагреве в объемном волноводном резонаторе // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 7. С. 36-39.

19. Бухаров С. В. Расчет параметров частично заполненного резонатора при измерении диэлектрической проницаемости // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2007. Т. 50. № 6. С. 77-80.

20. Матвейчук В. Ф., Сибирцев С. Н., Карих Н. М. Измерения электромагнитных свойств материалов с низкими потерями на СВЧ методами диэлектрического резонатора // Измерительная техника. 2004. № 8. С. 30-35.

Статья поступила в редакцию 16.08.2022; одобрена после рецензирования 19.09. 2022;

принята к публикации 21.09.2022

Информация об авторе: Н. Г. Горячева - к.т.н., доцент, Spin-код: 3349-8842.

REFERENCES

1. Lukaev S. L. Provedenie nauchnyh issledovanij processa sushki hmelya i razrabotka eksperimen-tal'noj sushilki [Conducting scientific research of the hop drying process and developing an experimental dryer], Inzhenernye kadry - budushchee innovacionnoj ekonomiki Rossii [Engineering personnel - the future of Russia's Innovative Economy], 2019, No. 1, pp. 118-122.

2. Zajcev G. V. Sushka hmelya v elektromagnitnom pole vysokoj chastoty [Drying of hops in a high-frequency electromagnetic field. Ph. D. (Engineering) thesis], Moscow, 1996. 18 p.

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX

XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ XXXXXXX

3. Vasil'ev A. O., Andreev R. V., Alekseev E. P., Ivanshchikov Yu. V. Issledovanie tekhnologicheskogo processa sushki hmelya v sushilke PHB-750 [Investigation of the technological process of drying hops in a PCB-750 dryer], Vestnik Chuvashskoj GSKHA [Bulletin of the Chuvash State Agricultural Academy], No. 1 (8), 2019, pp. 96—102.

4. Prosviryakova M. V., Storchevoj V. F., Goryacheva N. G., Mihajlova O. V., Novikova G. V. Patent No. 2772987 RF, MPK S12S3/02; F26B3. Mnogorezonatornaya hmelesushilka s energopodvodom v elektromagnit-nom pole [Multi-resonator hop dryer with power supply in an electromagnetic field], Zayavitel' i patentoobladatel' RGAU-MSKHA imeni K. A. Timiryazeva (RU). No. 2021132821 ot 11.11.2021. Byul. No. 16 ot 30 05.2022.

5. Prosviryakova M. V., Storchevoj V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V., Mihajlova O. V., Zi-ganshin B. G. Patent No. 2770628 RF, S12S3/02; F26B3. SVCH-konvektivnaya hmelesushilka nepreryvno-potochnogo dejstviya s polusfericheskim rezonatorom [Microwave convective hop dryer of continuous-flow action with a hemispherical resonator], Zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). No. 2021136688 ot 13.12.2021. Byul. No. 11 ot 19.04.2022.

6. Prosviryakova M. V., Storchevoj V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V., Mihajlova O. V., Zi-ganshin B. G. Patent No. 2772992 RF, S12S3/02; F26B3. Hmelesushilka s toroidal'nymi i astroidal'nymi rezonatorami s energopodvodom v elektromagnitnom pole [Hop dryer with toroidal and astroid resonators with energy supply in an electromagnetic field ], Zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). No. 2021135280 ot 01.12.2021. Byul. No. 16 ot 30.05.2022.

7. Prosviryakova M. V., Storchevoj V. F., Goryacheva N. G., Mihajlova O. V., Novikova G. V. Patent No. 2774186 RF, MPK S12S3/02; F26B3. Hmelesushilka nepreryvno-potochnogo dejstviya s istochnikami endogen-no-konvektivnogo nagreva [Continuous-flow hop dryer with sources of endogenous convective heating], zayavitel' i patentoobladatel' RGAU-MSKHA im. K. A. Timiryazeva (RU). No. 2021121317; zayavl. 19.07.2021. Byul. No. 12 ot 16.06.2022.

8. Egorov V. N. Mikrovolnovye dielektricheskie rezonatory v fizicheskih izmereniyah [Microwave dielectric resonators in physical measurements. Dr. Sci. (Engineering) diss.], Irkutsk : Irkutskij GTU, 2014, 367 p.

9. Strekalov A. V., Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves], Textbook, Moscow: RIOR: INFRA-M, 2014, 375 p.

10. Zolin A. N. Raschet i issledovanie cilindricheskih rezonatorov s neodnorodnym dielektricheskim zapolneniem [Calculation and study of cylindrical resonators with inhomogeneous dielectric filling. Ph. D. (Engineering) diss.], Nizhnij Novgorod, 2001. 196 p.

11. Ginzburg A. S., Gromov M. A., Krasovskaya G. I. Teplofizicheskie harakteristiki pishchevyh produktov [Thermophysical characteristics of food products], Pishchevayapromyshlennost' [Food industry], 1980, No. 4, pp. 288.

12. Rogov I. A., Nekrutman S. V., Papkova V. B., Biletova N. V. Vliyanie rezhimov SVCH-termoobrabotki na mikroorganizmy [Influence of microwave heat treatment modes on microorganisms], Molochnaya i myasnaya promyshlennost' [Dairy and meat industry], 1982, No. 4, pp. 35.

13. Zhdankin G. V., Storchevoj V. F., Ziganshin B. G., Novikova G. V. Razrabotka i obosnovanie paramet-rov mnogoyarusnoj sverhvysokochastotnoj ustanovki dlya termoobrabotki vlazhnogo syr'ya v nepreryvnom rezhime [Development and substantiation of parameters of a multi-tiered ultrahigh-frequency installation for heat treatment of wet raw materials in a continuous process], Nauchnaya zhizn' [Scientific life], 2017, No. 4, pp. 4—14.

14. Drogajceva O. V. Povyshenie urovnya ravnomernosti nagreva dielektricheskih materialov v SVCH-ustrojstvah volnovodnogo i rezonatornogo tipov [Increasing the level of uniformity of heating of dielectric materials in microwave devices of waveguide and resonator types. Ph. D. (Engineering) diss.], Saratov : SGTU, 2011, 207 p.

15. Pihteleev N. A. Cilindricheskie metallodielektricheskie rezonatory v apparature dlya fizicheskih issledo-vanij [Cylindrical metal-dielectric resonators in equipment for physical research. Ph. D. (Engineering) thesis], Nizhnij Novgorod : Nizhegorodskij NII priborostroitel'nyj institut, 2005, 20 p.

16. Shevelev A. V., Mihajlova O. V., Novikova G. V., Prosviryakova M. V. Obosnovanie sobstvennoj do-brotnosti rezonatorov SVCH-ustanovok dlya vytopki pasechnogo voska [Substantiation of own reliability of resonators of microwave installations for heating beeswax], Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Altai State Agrarian University], 2020, No. 8 (190), pp. 124-130.

17. Korovin E. Yu., Suslyaev V. I., Ul'yanova O. A. Raschet kompleksnoj dielektricheskoj pronicaemosti po rezul'tatam izmerenij koefficienta otrazheniya pryamougol'nogo rezonatora na SVCH [Calculation of the complex die-

55

Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). C. 45-56. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 45-56. ISSN 2227-9407 (Print)

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^ё

lyvMlvMIII^ ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT

XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX_

lectric permittivity based on the results of measurements of the reflection coefficient of a rectangular resonator on a microwave], Svidetel'stvo o registracii programmy dlya EVM RU 2017611876, 09.02.2017. Zayavka No. 2016663667 ot 13.12.2016.

18. Krylov V. P. Opredelenie dielektricheskoj pronicaemosti materialov pri vysokotemperaturnom nagreve v ob"emnom volnovodnom rezonatore [Determination of the dielectric permittivity of materials under high-temperature heating in a volumetric waveguide resonator], Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov [Factory laboratory. Diagnostics of materials], 2016, Vol. 82, No. 7, pp. 36-39.

19. Buharov S. V. Raschet parametrov chastichno zapolnennogo rezonatora pri izmerenii dielektricheskoj pronicaemosti [Calculation of parameters of a partially filled resonator when measuring dielectric permittivity], Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Radioelektronika [News of higher educational institutions. Radio electronics], 2007. Vol. 50, No. 6, pp. 77-80.

20. Matvejchuk V. F., Sibircev S. N., Karih N. M. Izmereniya elektromagnitnyh svojstv materialov s nizkimi poteryami na SVCH metodami dielektricheskogo rezonatora [Measurements of electromagnetic properties of materials with low losses on microwave by methods of a dielectric resonator], Izmeritel'naya tekhnika [Measuring technique], 2004, No. 8, pp. 30-35.

The article was submitted 16.08.2022; approved after reviewing 19.09.2022; accepted for publication 21.09.2022.

Information about the author: N. G. Goryacheva - Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 3349-8842.