CC BY
7
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Научная статья УДК 621.385.6
DOI: 10.24412/2227-9407-2022-12-54-65
Особенности разработки установок с СВЧ-энергоподводом для переработки сырья агропредприятий
Ольга Валентиновна Михайлова1, Галина Владимировна Новикова2^, Марьяна Валентиновна Просвирякова3, Владимир Федорович Сторчевой4, Александр Владимирович Шевелев5, Елена Дмитриевна Михайлова6
12 5Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Россия 3 4РГАУ-МСХА им К. А. Тимирязева, г. Москва, Россия 6Волжский филиал МАДИ, Чебоксары, Россия 1 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9231-4733 [email protected]^, https://orcid.org/0000-0001-9222-6450 3prosviryakova. maryana@yandex. ти, https://orcid. org/0000-0003-3258-260х [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6929-3919 5shevelev522@mail.т, https://orcid.org/0000-0002-6536-1419 6 topscore@mail. у-и
Аннотация
Введение. Описаны особенности проектирования установок с СВЧ-энергоподводом для переработки сырья агропредприятий. Научная проблема - низкая энергоэффективность установок, предназначенных для переработки сырья агропредприятий пароводяной смесью, конвективным способом подвода тепла, и отсутствие установок непрерывно-поточного действия для агропредприятий, обеспечивающих сохранение потребительских свойств продукта при сниженных эксплуатационных затратах. Цель настоящей работы — обосновать пути повышения энергоэффективности установок с СВЧ-энергоподводом для переработки сырья агропредприятий. Материалы и методы. При проектировании учитывали системы требований к установкам с СВЧ-энергоподводом в соответствии с предназначением (для сушки, термообработки, избирательного нагрева и т. п.). Трехмерное моделирование конструкционного исполнения установок проведено в программе Компас 3D, определение электродинамических параметров системы - в программе CST Microwave Studio. Результаты и обсуждение. Реализация цели показана на примере хмелесушилок и воскотопки с СВЧ-энергоподводом. В конструкциях использованы: керамические отражатели, один из типов замедляющих систем в виде запредельных волноводов, цепочки связанных резонаторов; гребенки; цилиндрические спирали; кольцо-стержень; встречные штыри; резонаторы, открытые на уровне критических сечений. Применены: диссекторы для изменения частоты генератора и увеличения числа видов колебаний; несколько магнетронов одинаковой частоты или работающие на близких частотах. Согласована глубина проникновения волны в сырье с его размерами, предусмотрены перемешивающие и транспортирующие механизмы с соблюдением скважности технологического процесса. Проведена интерференция волн при использовании трех магнетронов в резонаторе. Определены значения собственных добротностей резонаторов для оценки термического КПД резонатора. Заключение. Путем реализации замедляющих систем и керамических отражателей в резонаторах с магнетронами воздушного охлаждения, расположенными со сдвигом на 120 градусов, можно повысить энергоэффективность установки с СВЧ-энергоподводом непрерывного режима работы, соблюдая электромагнитную безопасность без экранирующего корпуса при переработке сырья агропредприятий.
© Михайлова О. В., Новикова Г. В., Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Шевелев А. В., Михайлова Е. Д., 2022 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Ключевые слова: высокая напряженность электрического поля, замедляющие системы, критерии проектирования, непрерывный режим, собственная добротность, хмелесушилки, энергоэффективность
Для цитирования: Михайлова О. В., Новикова Г. В., Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Шевелев А. В., Михайлова Е. Д. Особенности разработки установок с СВЧ-энергоподводом для переработки сырья агропредприятий // Вестник НГИЭИ. 2022. № 12 (139). С. 54-65. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-12-54-65
Features of the development of installations with microwave power supply for processing raw materials of agricultural enterprises
Olga V. Michailova1, Galina V. Novikova2B, Mariana V. Prosviryakova3, Vladimir F. Storchevoy4, Alexander V. Shevelev5, Elena D. Michailova6
12' 5 Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia 3 4 RGAU - Moscow State Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russia 6 volga branch of MADI, Cheboksary, Russia 1 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9231-4733 [email protected]://orcid.org/0000-0001-9222-6450 3prosviryakova. maryana@yandex. ru, https://orcid. org/0000-0003-3258-260x [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6929-3919 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6536-1419 6 topscore@mail. ru
Abstract
Introduction. The features of designing installations with microwave energy supply for processing raw materials of agricultural enterprises are described. The scientific problem is the low energy efficiency of installations intended for processing raw materials of agricultural enterprises with a steam-water mixture, a convective method of heat supply, and the absence of continuous-flow installations for farms that ensure the preservation of consumer properties of the product at reduced operating costs. The purpose of this work is to substantiate ways to improve the energy efficiency of installations with microwave power supply for processing raw materials of agricultural enterprises. Materials and methods. When designing, we took into account the systems of requirements for installations with microwave energy supply in accordance with their intended purpose (for drying, heat treatment, selective heating, etc.). Three-dimensional modeling of the structural design of the installations was carried out in the Compass 20 program, determination of the electrodynamic parameters of the system in the CST Microwave Studio program. Results and discussion. The implementation of this goal is shown on the example of hop dryers with microwave energy supply to metal-dielectric resonators of various designs. The designs used: ceramic reflectors, one of the types of retarding systems in the form of transcendental waveguides, a chain of coupled resonators; combs; cylindrical spiral; ring-rod; counter pins; resonators open at the level of critical sections. Applied: dissectors to change the frequency of the generator and increase the number of modes of oscillation; several magnetrons of the same frequency or operating at close frequencies. The depth of penetration of the wave into the raw material is coordinated with its dimensions, mixing and transporting mechanisms are provided, in compliance with the duty cycle of the technological process. The interference of waves was carried out using three magnetrons in the resonator. The values of the intrinsic Q-factors of the resonators are determined to estimate the thermal efficiency of the resonator.
Conclusion. By implementing retarding systems and ceramic reflectors in resonators with air-cooled magnetrons arranged with a shift of 120 degrees, it is possible to increase the energy efficiency of a plant with a microwave energy supply of continuous operation, observing electromagnetic safety without a shielding case when processing agricultural raw materials.
Key words: design criteria, inherent quality factor, high electric field strength, continuous operation, hop dryers, delay systems, energy efficiency
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тггнмтnizirs FI РГТШГЛ! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvmlvmiii^ electrical technologies, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
For citation: Mikhailova O. V., Novikova G. V., Prosviryakova M. V., Storchevoy V. F., Shevelev A. V. Features of the development of installations with microwave power supply for processing raw materials of agricultural enterprises // Bulletin NGIEI. 2022. № 12 (139). P. 54-65. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-12-54-65
Введение
В технологическом оборудовании агропредприятий, в зависимости от предъявляемых к технологии требований, реализуются механические, тепловые, электрофизические, биохимические и микробиологические процессы. Эти процессы осуществляют в соответствующих рабочих органах, где созданы условия, необходимые для обеспечения температуры, давления, влажности и др. контролируемыми приборами параметров, необходимых для конкретного процесса и вида сырья. Для интенсификации тепловых и электрофизических процессов рабочие органы снабжены мешалками, транспортерами для перемещения сырья и т. д.
Несмотря на это, возникает проблема - низкая энергоэффективность установок, предназначенных для переработки сырья агропредприятий пароводяной смесью, конвективным способом подвода тепла. Практически отсутствуют установки непрерывно-поточного действия для агропредприятий, обеспечивающие сохранение потребительских свойств термообработанного продукта при сниженных эксплуатационных затратах.
Российскими и зарубежными учеными доказано, что применение энергии электромагнитных излучений сантиметрового диапазона в установках для термообработки сырья агропредприятий повысит показатели энергоэффективности. Особые специфические параметры электромагнитных колебаний волн сантиметрового диапазона (2450 МГц, 12,24 см) способствуют появлению новых областей применения установок с СВЧ-энергоподводом. Специфические особенности позволяют разрабатывать и создавать совершенно новые технологические процессы, которые ранее невозможно было осуществить. Именно поэтому открываются перспективы серийного изготовления простых по конструкции и удобных при эксплуатации в фермерских хозяйствах установок непрерывно-поточного действия с СВЧ-энергоподводом на базе магнетронов воздушного охлаждения, металлодиэлектриче-ских резонаторов с замедляющими системами, обеспечивающих электромагнитную безопасность без экранирующего корпуса.
В нашей научной школе выработаны принципы разработки рабочих органов и методы расчета их
конструкционно-технологических параметров [1; 2]. Разработаны и изготовлены опытные образцы установок с СВЧ-энергоподводом. Они предназначены для: размораживания молозива животных; мгновенной пастеризации молока; сбора пуха со шкурок кроликов; термообработки вторичного сырья животного происхождения, в том числе крови убойных животных, потрохов птиц, жиросодержащего сырья; термообработки яиц без воды; вытопки пасечного воска с отделением меда; сушки хмеля и высокотемпературного формования гранул; термомеханического шелушения семян рапса и т. д. [3; 4]. В установках реализованы объемные резонаторы разных нестандартных конструкционных исполнений, обеспечивающие переработку сырья в непрерывном режиме и соблюдение электромагнитной безопасности.
При проектировании установок с СВЧ-энергоподводом учитывали комплекс технологических и эксплуатационных требований в соответствии с заданной целью (сушка, термообработка, избирательный нагрев компонентов сырья, высокотемпературное формование продукта и т. п.).
Цель настоящей работы — обосновать способы повышения энергоэффективности установок с СВЧ-энергоподводом для переработки сырья агропредприятий. Реализация этой цели показана на примере хмелесушилок и воскотопки с СВЧ-энергоподводом (рис. 1—3). Для этого в конструкциях установок использованы керамические отражатели; замедляющие системы в виде запредельных волноводов, гребенки и цилиндрической спирали. В них применены несколько магнетронов одинаковой частоты; глубина проникновения волны в сырье согласована с его размерами; предусмотрены перемешивающие и транспортирующие механизмы для соблюдения скважности технологического процесса.
Материалы и методы
Трехмерное моделирование сложной геометрии объемных резонаторов различной конфигурации проводили в программе Компас 20. Пользуясь программой «CST Microwave Studio», вычисляли электродинамические параметры (ЭД) объемных резонаторов для определенной собственной моды и частоты ЭМП и визуализировали распределение электрического и магнитного полей, поверхностных токов, потоков мощности излучений [5; 6; 7; 8]. С
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
помощью компьютерного моделирования оптимизировали отдельные узлы установок, в том числе расположение волноводов с магнетронами, замедляющих систем в виде спирали, гребенки, ячеистого ворошителя для обеспечения затухания электромагнитной волны на входных и выходных отверстиях резонаторов.
Результаты и обсуждение
Конструкционное исполнение резонаторов должно быть таким, чтобы сырье внутри него равномерно, по всему объему нагревалось. Не менее 20 % объема резонатора должно заполняться сырьем, следовательно, объем резонатора должен быть достаточно большим, в 5-6 раз превышающим длину волны генератора (12,24 см; 12,63 см; 32,78 см). Если это условие соблюдается, то резонансная частота зависит от размеров и конфигурации резонатора. Резонатор многомодовый, т. е. в нем возбуждается одновременно несколько видов колебаний, но равномерность электромагнитного поля в нем будет наблюдаться, даже при небольшом заполнении сырьем [9; 10].
Оптимизация конфигурации, размеров и параметров объемных резонаторов состоит в том, чтобы выбрать такое конструкционное исполнение и размеры, при котором в нем можно было бы возбуждать только определенные виды колебаний, а интерференция между ними обеспечивала бы равномерное электромагнитное поле (ЭМП) по объему резонатора [11; 12]. Особенности разработки установок с СВЧ-энергоподводом рассмотрены на примере хмелесушилок и СВЧ-воскотопки.
При разработке микроволновой технологии и проектировании хмелесушилок с СВЧ-энергопод-водом следует учесть основные задачи — снижение эксплуатационных затрат на сушку свежеубранного хмеля, повышение интенсивности влагоотдачи. В настоящее время для осуществления процесса сушки сырья, в том числе для сушки свежеубранного хмеля, применяются ленточные, барабанные, ротационные конвективные сушилки, обладающие высокими эксплуатационными затратами, не всегда позволяющие сохранить его потребительские свойства. Поэтому разработка и внедрение в хмелеводческое хозяйство сушилки с СВЧ-конвективным энергоподводом, с эффективными режимами, позволяющими снизить эксплуатационные затраты и сохранить потребительские свойства хмеля, актуальна. Успешная реализация микроволновой технологии сушки свежеубран-ного хмеля возможна в рабочей камере, обеспечива-
ющей трехэтапный процесс сушки в трех объемных резонаторах с эффективными режимами тепло- и массообмена. Эффективные режимы сушки хмеля во многом зависят от конструкционного исполнения нестандартных объемных резонаторов с магнетронами воздушного охлаждения, которые одновременно должны обеспечить электромагнитную безопасность (на уровне 10 мкВт/см2) без экранирующего корпуса, при непрерывном режиме сушки.
Особенности установок с СВЧ-энергоподводом заключаются в том, что в конструкционном исполнении объемных резонаторов предусмотрены узлы для реализации технологических и эксплуатационных требований. Например, ограничение излучений в установках осуществляется путем использования замедляющих систем в виде [11]: цепочки связанных резонаторов; гребенки; цилиндра из неферромагнитной спирали; кольца-стержня; встречных штырей и запредельных волноводов (неферромагнитной трубы малого диаметра, где внутри ни один тип волны на данной частоте не распространяется) и т. п.
Для достижения равномерного распределения электромагнитного поля в резонаторе использованы следующие технические решения: это диссекторы для изменения частоты генератора и увеличения числа видов колебаний; магнетроны одинаковой частоты или работающие на близких частотах, излучатели которых направлены в один резонатор.
Для обеспечения равномерного нагрева сырья применяли механизмы для перемешивания и передвижения сырья через резонатор; соблюдали скважность технологического процесса менее 0,5; использовали магнетроны, генерирующие частоты, отличающиеся друг от друга; согласовали размеры сырья с глубиной проникновения волны.
Высокую напряженность электрического поля в резонаторе, достаточную для обеззараживания сырья, обеспечивали путем использования конического, тороидального и коаксиального резонаторов и интерференции волн в них при использовании трех магнетронов и керамических отражателей разных конфигураций.
Высокую собственную добротность резонатора, позволяющую оценить КПД резонатора и характеризующую удвоенное отношение объема, в котором запасается энергия ЭМП, к объему, в котором она расходуется, т. е. к объему, занимаемому поверхностным слоем во всех стенках резонатора, достигали моделированием конфигурации резонаторов.
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
Ниже описаны три варианта конструкционного исполнения сушилок, где реализована трехэтапная равномерная сушка и обеззараживание свежеубран-ного хмеля с разными дозами воздействия ЭМПСВЧ при высокой напряженности электрического поля с применением узлов обеспечения непрерывного режима с соблюдением электромагнитной безопасности, равномерного распределения сырья в резонаторе в соответствии с глубиной проникновения волны в сырье. Применение фторопластовой гребенчатой направляющей, предназначенной для распределения сырья в соответствии с глубиной проникновения волны в сырье, упрощает жесткие требования к допускам на размеры металлодиэлектрического резонатора и трудности, сопряженные с обеспечением высокой точности при изготовлении. Фторопластовая гребенчатая направляющая - как высококачествен-
ный диэлектрик на сантиметровых волнах обеспечивает малое затухание, коэффициент ослабления соизмерим с коэффициентом ослабления в полуцилиндрическом неферромагнитном резонаторе (рис. 1). При сушке свежеубранного хмеля высокой влажности (70-82 %) фторопластовые гребенчатые направляющие обеспечивают высокую электрическую прочность. Неферромагнитная облицовка на торцах фторопластовых гребенчатых направляющих обеспечивает многократное отражение волн, падающих на вход резонатора. Электрическое поле в объеме между облицовками представляет суперпозицию падающей и отраженной волн. Зеркало размерами, значительно превышающими длину волны, ограничивает частичные излучения волн через открытые поверхности между гребенками на входе и выходе сырья из резонатора.
а / a в / c
Рис. 1. СВЧ-конвективная хмелесушилка с металлодиэлектрическими резонаторами: а — общий вид; б — фторопластовая гребенчатая направляющая; в - открытый полусферический резонатор; 1 — загрузочный транспортер; 2 - загрузочная емкость; 3, 15, 27 — полуцилиндры; 4, 9, 16, 21, 28, 33 — неферромагнитные сегменты; 5, 17, 29 — гребенчатые направляющие; 6, 10, 18, 22, 30, 34 — неферромагнитные облицовки; 7, 19, 31 — магнетроны с волноводами; 8, 20, 32 — воздухоотводы-запредельные волноводы; 11, 23, 35 — призматические основания; 12, 24, 36 — диэлектрические сеточные транспортеры; 13, 25, 37 — перфорированные вогнутые керамические зеркала; 14, 26, 38 — воздуховоды; 39 — приемная емкость; 40 — ячеистый барабан Fig. 3. Microwave convective hop dryer with metal-dielectric resonators: a — general view; b — fluoroplastic comb guide; c - open hemispherical resonator; 1 — loading conveyor; 2 - loading tank; 3, 15, 27 — semi-cylinders; 4, 9, 16, 21, 28, 33 — non-ferromagnetic segments; 5, 17, 29 — comb guides; 6, 10, 18, 22, 30, 34 - non-ferromagnetic linings; 7, 19, 31 — magnetrons with waveguides; 8, 20, 32 — air vents- transcendental waveguides; 11, 23, 35 — prismatic bases; 12, 24, 36 — dielectric grid conveyors; 13, 25,37 — perforated concave ceramic mirrors; 14, 26, 38 — air ducts; 39 — receiving tank; 40 — cellular drum Источник: разработано авторами в программе Компас 3D
В связи с тем, что размеры металлодиэлек-трического резонатора существенно больше длины волны, предусмотренный под фторопластовой гре-
бенчатой направляющей керамический отражатель обеспечивает концентрацию многократных отраженных волн при фокусном расстоянии зеркала,
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
равной половине радиуса кривизны. Потери мощности в разработанном металлодиэлектрическом резонаторе складываются из тепловых потерь в скин-слое неферромагнитного резонатора в керамическом отражателе. На поверхности фторопластовой гребенчатой направляющей возникают поверхностные токи смещения. Поле поверхностной волны над фторопластовой гребенкой имеет характер экспоненциально убывающий. Хмелесушилка с полуцилиндрическими резонаторами и диэлектрическими гребенками, размеры которых согласованы с глуби-
ной проникновения волны в сырье, обеспечивают равномерное распределение сырья в резонаторе и равномерную сушку шишек хмеля.
Вторая хмелесушилка с СВЧ-энергоподводом обеспечивает скважность технологического процесса, равной 0,5, для выравнивания температуры и влажности шишек хмеля при перемещении диэлектрической карусельной платформой с направляющими гребенками через рабочую камеру, образованную сегментами коаксиального цилиндра (рис. 2).
г / g д / d е / e
Рис. 2. Карусельная хмелесушилка с СВЧ-энергоподводом в сегменты коаксиального цилиндра: а — общий вид; б — поперечный разрез; в - спираль-шнек; г - разрез по высоте; д — открытый резонатор; е - распределение ЭП в резонаторе; 1 — неферромагнитные радиальные сегменты коаксиального цилиндра; 2 — диэлектрическая перфорированная кольцевая платформа на раме 3; 4 — неферромагнитные воздуховоды с тепловыми пушками; 5 — воздухоотвод с вытяжным вентилятором; 6 — волноводы с магнетронами; 7 — неферромагнитная загрузочная емкость; 8 — неферромагнитный спиральный электроприводной шнек; 9 - диэлектрическая перфорированная кольцевая платформа; 10 — диэлектрические кольцевые гребенки;
11 — диэлектрический безосевой винтовой электроприводной шнек; 12 — приемная емкость;
13 — выпуклые керамические отражатели; 14 — диэлектрический ограничитель Fig. 2. Carousel hop dryer with microwave power supply to the segments of the coaxial cylinder: a — general view; b — transverse section; c — spiral auger; g - height section; d - open resonator; e — distribution of the EP in the resonator; 1 - non-ferromagnetic radial segments of the coaxial cylinder; 2 — dielectric perforated ring platform on frame 3; 4 - non—ferromagnetic air ducts with heat guns; 5 — air outlet with exhaust fan; 6 - waveguides with magnetrons; 7 — non—ferromagnetic loading tank; 8 — non-ferromagnetic spiral electric drive auger; 9 - dielectric perforated ring platform; 10 — dielectric ring combs; 11 — dielectric axial rigid screw electric screw; 12 — receiving capacity; 13 — convex ceramic reflectors; 14 — dielectric limiter Источник: разработано авторами в программе Компас 3D
Сушилка разработана по принципу карусельной конвективной сушилки зерновых культур, серии СК [12]. Карусельная хмелесушилка с СВЧ-
энергоподводом в сегменты коаксиального цилиндра состоит из радиальных неферромагнитных сегментов 1 равного объема коаксиального цилиндра (располо-
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
женного в вертикально), где чередующиеся сегменты представлены как объемные резонаторы. На боковых сторонах сегментов предусмотрены окна для карусельной диэлектрической перфорированной кольцевой платформы 9, вращающейся от электропривода. На кольцевой платформе расположены диэлектрические кольцевые гребенки 10, через две глубины проникновения волны в сырье, а во внутреннем цилиндре имеются воздухоотводящие окна от каждого сегмента, диаметром менее чем четверть длины волны. На верхнем основании внутреннего цилиндра расположен неферромагнитный вытяжной вентилятор 5. При этом с чередованием в сегменты коаксиального цилиндра, со стороны трех наружных сторон, через волноводы от магнетронов 6 воздушного охлаждения направлены излучатели, образуя объемные резонаторы. Над первым сегментом расположена неферромагнитная загрузочная емкость 7 с заслонкой и спиральным неферромагнитным электроприводным шнеком 8, под которой радиально установлен диэлектрический ограничитель 14, высотой до кольцевых диэлектрических гребенок 10. Внутри последнего сегмента по диагонали основания распо-
ложен диэлектрический безосевой жесткий винтовой электроприводной шнек 11. К наружной стороне внутри каждого резонатора прикреплены выпуклые керамические отражатели 13. Загрузочная емкость расположена на сегменте без магнетронов. Но на боковых гранях всех сегментов имеются окна, предусмотренные для передвижения диэлектрической перфорированной кольцевой платформы 9 с сырьем. Через эти окна происходит излучение электромагнитных волн. Для ограничения электромагнитных излучений в открытое пространство в загрузочной емкости предусмотрена замедляющая система в виде спирального шнека 8 - навитой из алюминиевой проволоки круглого поперечного сечения. Она обеспечивает замедление скорости распространения электромагнитных волн [13; 14]. Особенностью спиральной замедляющей системы является слабая зависимость замедления от частоты электромагнитного поля. Если диаметр неферромагнитной проволоки мал по сравнению с диаметром спирали, то ее можно рассматривать как цилиндр, проводимость которого бесконечна в направлении витков спирали и равна нулю в поперечном направлении [15; 16].
а / а б / b в / c
Рис. 3 — СВЧ-конвективная хмелесушилка: а - общий вид; б - неферромагнитный ворошитель; в — распределение ЭП в резонаторе; 1, 4, 7 — резонаторы; 2, 5, 8 — магнетроны; 3, 6, 9 - воздухоотводы; 10 — загрузочная емкость; 11, 23, 28 — сеточные транспортеры; 12 — патрубок для пылесоса; 13 — холостая ветвь транспортера 11; 14 — поддон; 15, 20, 25 — электроприводы транспортеров; 16, 19, 24, 29 — ячеистые ворошители; 17, 21, 26 — воздуховоды с тепловой пушкой; 18, 22, 27 — керамические полудиски; 30 — приемная емкость Fig. 3 — Carousel hop dryer with microwave power supply to the segments of the coaxial cylinder: a - general view; b - cross section; с — distribution of EP in the resonator; 1 — non-ferromagnetic radial segments of the coaxial cylinder; 2 — dielectric perforated ring platform on frame 3; 4 - non-ferromagnetic air ducts with heat guns; 5 - air outlet with exhaust fan; 6 — waveguides with magnetrons; 7 - non-ferromagnetic loading tank; 8 - non-ferromagnetic spiral electric drive screw; 9 - dielectric perforated ring platform; 10 — dielectric ring combs; 11 — dielectric axial rigid screw electric screw; 12 — receiving capacity; 13 — convex ceramic reflectors; 14 — dielectric limiter Источник: разработано авторами в программе Компас 3D
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
Правильным подбором радиуса спирали и шага намотки можно обеспечить достаточную эффективность замедления ЭМП, т. е. снижение излучений через загрузочное окно. Замедляющая спираль выполняет одновременно функцию равномерного перемещения сырья из загрузочной емкости на карусельную диэлектрическую платформу в сегменте коаксиального цилиндра. Вместо замедляющей спирали можно рекомендовать применение других конструкций, например «встречные штыри», «гребенка» [17].
Третья хмелесушилка с резонаторами, образованными неферромагнитными полуцилиндрами, равными по размеру, длиной и диаметром кратным половине длины волны, состыкованными с боковыми поверхностями и расположенными под ними через зазор, рабочими ветвями соответствующих
неферромагнитных сеточных транспортеров разной длины, приведена на рис. 3. Внутри резонаторов имеются керамические отражатели. Магнетроны установлены со сдвигом на 90 градусов вдоль образующей каждого резонатора. В зазорах между полуцилиндрами и транспортерами по ширине установлены неферромагнитные ячеистые ворошители глубиной ячеек не более двух глубин проникновения волны в шишки хмеля.
Воскотопка с СВЧ-энергоподводом. Реализация диэлектрического шнека, обеспечивающего передвижение воска равномерной толщины, согласованной с глубиной волны, а также ограничение излучений с помощью запредельного волновода осуществлено в СВЧ-воскотопке с полусферическими резонаторами (рис. 4).
а / а б / b
Рис. 4. СВЧ-воскотопка: а - опытный образец, б - технологическая схема Fig. 4. Microwave wax furnace: a - prototype, b - technological scheme
Предотвращение излучения через отверстия для подачи сырья осуществляется применением неферромагнитной трубки малого диаметра и необходимой длины (запредельного волновода). Расчет проводили двумя способами. Первый способ. Если радиус трубки принять равным четверти длины волны (3,06 см), то погонное затухание на низшем типе волны Нц можно вычислить по известной формуле [11; 19]: Ь = 16/Я = 16/3,06 = 5,2 дБ/см. Если мощность СВЧ-колебаний резонатора составляет 1,6 кВт, а допустимая мощность потока излучений 10 мкВт/см2, то на длине трубки должно быть ослабление 1,6/10-5 = 1,6• 105 раз, или примерно 50 дБ. Длина трубки будет I =50^ = 50/5,2 = 9,6 см. Безопасный уровень излучения может быть получен при не очень длинной неферромагнитной трубке - 9,6 см.
Второй способ основан на том, что электромагнитная энергия сверхвысокой частоты распространяется по неферромагнитной трубке (волново-
де), если ее размеры (диаметр и длина) превосходят критическую величину, зависящую от длины волны. Для круглого волновода критическая длина волны определяется по формуле [11]:
X = 3,41-г■ &
а для прямоугольного волновода
К = 2-а
(1)
где г - радиус волновода, е - относительная диэлектрическая проницаемость сырья, заполняющего волновод, а - ширина волновода.
Чем больше длина излучаемой волны (12,24 см) отличается от критической волны, тем быстрее происходит ее затухание в волноводе. Ослабление напряженности электрического поля в конце волновода можно оценить выражением [19]:
Е = Ео-е-■1 /а, (2)
где Е - напряженность ЭП в конце волновода, длиной I; Ео - напряженность ЭП в начале волновода.
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
Чем больше длина запредельного волновода, тем сильнее ослабление электромагнитного поля на его выходе. Допустимую длину волновода можно определить по известной формуле [19]:
!доп =(2,3• й/Е/Еа). (3)
где й = 3,06 см (принимаем равным четверти длины волны).
При частоте 2450 МГц в соответствии с санитарными нормами можно принять допустимую напряженность электрической составляющей ЭМП Е = 5 В/м. Если напряженность в объемном резонаторе Ео = 1,5105 В/м.
Тогда
1доп =( 2,3 • й / ) Е / Ео ) = = ( 2,3 • й / я) • (1ё 1,5 •105/5) =
= (2,3 • 3,06 102/3,14) • 4,477 = 0,09м = 9 см. (4)
При этом должно выполняться соотношение I < 4й; 9 < 4-3,06; 9 см < 12,24 см. Имеется и второе условие 2й < I < 3,06й; 2-3,06 < 9 < 3-3,06; 6,12 < 9 < 9,18. Итак, при длине запредельного волновода 9 см и диаметре трубки, равном четверти длины волны 3,06 см, электромагнитная энергия СВЧ распространяться за пределами установки не будет.
Заключение
Установки с СВЧ-энергоподводом, реализующие основные технологические и эксплуатационные критерии, содержат взаимосвязанные узлы. Это: волноводы с магнетронами определенной частотой излучения и мощности; объемные резонаторы нестандартной конфигурации, обладающие максимальной собственной добротностью; запредельные волноводы, обеспечивающие ограничение излучений через устройства подачи и выгрузки продукта; транспортирующие механизмы, способствующие равномерному нагреву сырья, благодаря оптимизации размеров конструкции с учетом глубины проникновения волны.
Особенности разработки установок с СВЧ-энергоподводом для переработки сырья агропредприятий предусматривают пути достижения непрерывного режима работы с соблюдением электромагнитной безопасности без экранирующего корпуса путем реализации металлодиэлектрических резонаторов с замедляющими системами и керамическими отражателями при расположении магнетронов воздушного охлаждения на криволинейные по-
верхности резонаторов со сдвигом на 120 градусов. На примерах разработанных хмелесушилок с СВЧ-энергоподводом и СВЧ-воскотопки обоснованы пути повышения энергоэффективности установок с источниками электромагнитных излучений сантиметрового диапазона.
Металлодиэлектрические резонаторы с криволинейной поверхностью, керамическими элементами и замедляющими системами обеспечивают электромагнитную безопасность без дополнительных экранирующих корпусов СВЧ-установок, работающих в непрерывном режиме. Применение транспортирующих средств в объемных резонаторах позволяет существенно повысить производительность хмелесу-шилок, снизибь неравномерность нагре9а сырья по толщине и исключить электрические пробои, если магнетроны с волноводами расположены на образующих резонаторов со сдвигом на 120 градусов.
Для хмелеводческих хозяйств преимущественнее мобильная трехсекционная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с полусферическими резонаторами и неферромагнитными сеточными резонаторами (рис. 3), обеспечивающими сушку и обеззараживание шишек хмеля равномерно по толщине слоя, равной двум глубинам проникновения волны.
Использование замедляющей системы в виде неферромагнитных спиральных витков (рис. 2), перекрывающих отверстия для подачи сырья, и применение неферромагнитного ячеистого ворошителя (рис. 3) обеспечивают электромагнитную безопасность при работе хмелесушилок в непрерывном режиме.
Применение в резонаторах керамических отражателей, обладающих малыми диэлектрическими потерями, позволяет концентрировать энергию электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшить потери на излучение. Результаты исследования электродинамических параметров (рис. 2, е, 3, в) показывают, что напряженность электрического поля достигает 1,5-3 кВ/см.
Применение фторопластовой гребенчатой направляющей (рис. 1) обеспечивает: распределение сырья толщиной в соответствии с глубиной проникновения волны в сырье, следовательно, равномерное распределение сырья в резонаторе и равномерную сушку шишек хмеля по сечению. Применение запредельных волноводов в виде неферромагнитных трубок, размерами 9^3,06 см, ограничивает излучение через сливные патрубки воскотопки.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Prosviryakova M. V, Storchevoy V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V. Continuous-flow hop dryer with endogenous convection heat producers // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled. 2022. Iss. 1052(1). 012141.
2. Ziganshin B. G, Shogenov Yu. Kh., Mikhailova O. V., Tikhonov A. A. at all. Modular microwave installation for heat treatment of raw materials of agricultural enterprises // BIO Web of Conferences (FIES 2022). 2022. Iss. 52. 00047.
3. Zaitsev S.P., Belov E.L. at all. Development of microwave devices with toroidal resonators for treatment of raw materials // Journal of Environmental Treatment Techniques. 2019. Iss. 7. P. 1215-1223.
4. Mikhailova O. V. at all. Mathematical model of colostrum defrosting in super-high-frequency generator equipped // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled. 2021. V. 935 (1). 012027.
5. Хасанов А. С. Анализ электромагнитных полей с использованием среды CST Microwave Studio // XXII Туполевские чтения. Российский фонд фундаментальных исследований. Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ). 2015. С. 808-810.
6. Сивяков Б. К., Григорьян С. В. Математическое моделирование многоволновой СВЧ установки для сушки продуктов // Вопросы электротехнологии. 2019. № 4 (25). С. 5-11.
7. Падусова Е. В., Шарангович С. И. Расчет диэлектрических волноводов и объемных резонаторов. Томск : 2018. 103 с.
8. Журавлев А. В., Казарцев Д. А., Юрова И. С. Разработка конструкции вихревой сушильной камеры с СВЧ-энергоподводом // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания. 2014. № 4. С. 68-74.
9. Пестова Л. П., Виневский Е. И., Чернов А. В. Совершенствование комбинированного способа сушки листьев табака на основе применения СВЧ-излучений // Сборник научных трудов Всероссийского научно-исследовательского института табака, махорки и табачных изделий. 2019. № 182. С. 317-323.
10. Пестова Л. П. и др. Способы интенсификации тепло-и массопереноса при сушке табака // Инновационные исследования и разработки для научного обеспечения производства и хранения экологически безопасной сельскохозяйственной и пищевой продукции. 2017. С. 330-334.
11. Баскаков С. И. Электродинамика и распространения радиоволн : учебное пособие. М. : URSS. 2012.
416 с.
12. Казарцев Д. А. Разработка общих видов математических моделей сушки пищевых продуктов с СВЧ энергоподводом на основе законов химической кинетики гетерогенных процессов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2021. Т. 83. № 3. С. 17-22.
13. Курушин А. А., Пластиков А. Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М. : МЭИ, 2011, 155 с.
14. Комаров В. В., Лукьянов М. А. Волноводные СВЧ-фильтры: технические решения, тенденции развития и методы расчёта // Журнал радиоэлектроники. 2021. № 1. С. 2.
15. Бибик Г. А. Патент № 2654805 РФ, МПК F26В 15/04. Карусельная зерносушилка / Опубликовано 22.05.2018.
16. Фатеев А. В. Применение по CST Microwave Studio для расчета микроволновых антенн и устройств СВЧ. Учебное пособие. Томск, 2014. 120 с.
17. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М., 2016. 519 с.
18. Дерачиц Д. С., Кисель Н. Н. Грищенко С. Г. Моделирование на базе САПР CST Microwave Studio фильтра высоких частот // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3 (164). С. 257-265.
19. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны : Учебное пособие. М. : РИОР: ИНФРА-М, 2014. 375 с.
20. Доценко А. В. Оптимизация параметров установки СВЧ-диэлектрического нагрева, работающей в периодическом режиме // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2006. № 40. С. 136-138.
Статья поступила в редакцию 4.10.2022; одобрена после рецензирования 7.11.2022;
принята к публикации 9.11.2022.
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^ё
electrical technologies, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
Информация об авторах: О. В. Михайлова - д.т.н., профессор, Spin-код: 9437-0417; Г. В. Новикова - д.т.н., профессор, Spin-код: 3317-5336; М. В. Просвирякова - д.т.н., доцент, Spin-код: 5642-4560; В. Ф. Сторчевой - д.т.н., профессор, Spin-код: 3543-7363; А. В. Шевелев - соискатель, Spin-код: 8308-0752; Е. Д. Михайлова - студентка.
Заявленный вклад авторов: Михайлова О. В. - построение 3Б-моделей установок с СВЧ-энергоподводом. Новикова Г. В. - описание установок с СВЧ-энергоподводом, работа над текстом статьи. Просвирякова М. В. - сбор и обработка материалов, проведение анализа материалов. Сторчевой В. Ф. - формулирование основной концепции исследования и выводов. Шевелев А. В. - обоснование электродинамических параметров системы «генератор-резонатор». Михайлова Е. Д. - подготовка литературного обзора.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Prosviryakova M. V., Storchevoy V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V. Continuous-flow hop dryer with endogenous convection heat producers, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled, 2022,. Iss. 1052 (1), 012141.
2. Ziganshin B. G., Shogenov Yu. Kh., Mikhailova O. V., Tikhonov A. A. at all. Modular microwave installation for heat treatment of raw materials of agricultural enterprises, BIO Web of Conferences (FIES 2022), 2022, Iss. 52, 00047.
3. Zaitsev S. P., Belov E. L. at all. Development of microwave devices with toroidal resonators for treatment of raw materials, Journal of Environmental Treatment Techniques, 2019, Iss. 7, pp. 1215-1223.
4. Mikhailova O. V. at all. Mathematical model of colostrum defrosting in super-high-frequency generator equipped, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled, 2021, Vol. 935 (1), 012027.
5. Hasanov A. S. Analiz elektromagnitnyh polej s ispol'zovaniem sredy CST Microwave Studio [Analysis of electromagnetic fields using the CST Microwave Studio environment], XXII Tupolevskie chteniya. Rossijskij fond fun-damental'nyh issledovanij [XXII Tupolev readings. Russian Foundation for Basic Research], Kazanskij nacional'nyj issledovatel'skij tekhnicheskij universitet im. A. N. Tupoleva-KAI (KNITU-KAI), 2015, pp. 808-810.
6. Sivyakov B. K., Grigor'yan S. V. Matematicheskoe modelirovanie mnogovolnovoj SVCH ustanovki dlya su-shki produktov [Mathematical modeling of a multi-wave microwave installation for drying products], Voprosy el-ektrotekhnologii [Questions of electrotechnology], 2019, No. 4 (25), pp. 5-11.
7. Padusova E. V., Sharangovich S. I. Raschet dielektricheskih volnovodov i ob"emnyh rezonatorov [Calculation of dielectric waveguides and volumetric resonators], Tomsk: 2018. 103 p.
8. Zhuravlev A. V., Kazarcev D. A., Yurova I. S. Razrabotka konstrukcii vihrevoj sushil'noj kamery s SVCH-energopodvodom [Development of the design of a vortex drying chamber with a microwave power supply], Tekhnologii pishchevoj i pererabatyvayushchej promyshlennosti APK-produkty zdorovogo pitaniya [Technologies of the food and processing industry of the agroindustrial complex-healthy food products], 2014, No. 4, pp. 68-74.
9. Pestova L. P., Vinevskij E. I., Chernov A. V. Sovershenstvovanie kombinirovannogo sposoba sushki list'ev tabaka na osnove primeneniya SVCH-izluchenij [Improvement of the combined method of drying tobacco leaves based on the use of microwave radiation], Sbornik nauchnyh trudov Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo insti-tuta tabaka, mahorki i tabachnyh izdelij [Collection of scientific papers of the All-Russian Scientific Research Institute of Tobacco, shag and Tobacco Products], 2019, No. 182, pp. 317-323.
10. Pestova L. P. i dr. Sposoby intensifikacii teplo-i massoperenosa pri sushke tabaka [Methods of intensification of heat and mass transfer during tobacco drying], Innova-cionnye issledovaniya i razrabotki dlya nauchnogo obespecheniya proizvodstva i hraneniya ekologicheski bezopasnoj sel'skohozyajstvennoj i pishchevoj produkcii [Inno-
64
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
vative research and development for scientific support ofproduction and storage of environmentally safe agricultural and food products], 2017, pp. 330-334.
11. Baskakov S. I. Elektrodinamika i rasprostraneniya radiovoln [Electrodynamics and propagation of radio waves], textbook, Moscow: URSS, 2012, 416 p.
12. Kazarcev D. A. Razrabotka obshchih vidov matematicheskih modelej sushki pishchevyh produktov s SVCH energopodvodom na osnove zakonov himicheskoj kinetiki geterogennyh processov [Development of general types of mathematical models of food drying with microwave power supply based on the laws of chemical kinetics of heterogeneous processes], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2021, Vol. 83, No. 3, pp. 17-22.
13. Kurushin A. A., Plastikov A. N. Proektirovanie SVCH ustrojstv v srede CST Microwave Studio [Design of microwave devices in the CST Microwave Studio environment], Moscow: MEI, 2011, 155 p.
14. 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.
15. Bibik G. A. Patent No. 2654805 RF, MPK F26V 15/04. Karusel'naya zernosushilka [Carousel Grain Dryer], Opublikovano 22.05.2018.
16. Fateev A. V. Primenenie po CST Microwave Studio dlya rascheta mikrovolnovyh antenn i ustrojstv SVCH [Application of CST Microwave Studio software for the calculation of microwave antennas and microwave devices], Study guide, Tomsk, 2014, 120 p.
17. Baskakov S. I. Radiotekhnicheskie cepi i signaly [Radio engineering circuits and signals], Moscow, 2016,
519 p.
18. Derachic D. S., Kisel' N. N. Grishchenko S. G. Modelirovanie na baze SAPR CST Microwave Studio fil'tra vysokih chastot [Modeling based on CAD CST Microwave Studio high-pass filter], Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFU. Technical sciences], 2015, No. 3 (164), pp. 257-265.
19. Strekalov A. V., Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves], Textbook, Moscow: Publ. INFRA-M, 2014. 375 p.
20. Docenko A. V. Optimizaciya parametrov ustanovki SVCH-dielektricheskogo nagreva, rabotayushchij v pe-riodicheskom rezhime [Optimization of parameters of the installation of microwave dielectric heating, operating in a periodic mode], Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Samara State Technical University. Series: Technical Sciences], 2006, No. 40, pp. 136-138.
The article was submitted to the editorial office on 4.10.2022; approved after reviewing 7.11.2022;
accepted for publication 9.11.2022.
Information about the authors: O. V. Mikhailova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 9437-0417; G. V. Novikova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 3317-5336; M. V. Prosviryakova - Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 5642-4560; V. F. Storchevoy - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 3543-7363; A. V. Shevelev - applicant, Spin-code: 8308-0752; E. D. Mikhailova - student.
The declared contribution of the authors: Mikhailova O. V. - construction of 3D models of installations with microwave power supply. Novikova G. V. - description of installations with microwave power supply, work on the text of the article. Prosviryakova M. V. - collection and processing of materials, analysis of materials. Storchevoy V. F. - formulation of the main concept of the study and conclusions. Shevelev A. V. - substantiation of electrodynamic parameters of the «generator-resonator» system. Mikhailova E. D. - reviewing the relevant literature.
The authors declare that there is no conflict of interest.
65
