Разработка и обоснование параметров СВЧ-установки с биконическим резонатором для термообработки мясных отходов Текст научной статьи по специальности «Сельскохозяйственные науки»

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if ТРГНМП!nfiiFS FI РГТШГЛ! РПШРМРМТ^^^^^^Ч^Ч^^

lyvmlvmiii^ electrical technologies, electrical equipment

xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx

Научная статья УДК 621.385.6

DOI: 10.24412/2227-9407-2023-12-48-59

Разработка и обоснование параметров СВЧ-установки с биконическим резонатором для термообработки мясных отходов

Воронов Евгений Викторович

Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия e_voronov@list.т, https://orcid.org/0000-0002-9867-5860

Введение. Особенности биконического резонатора, где можно возбудить электрическое поле высокой напряженности и обеспечить радиогерметичность с соответствующим выбором угла при вершинах усеченных конусов для ввода и вывода продукта, открывает большие перспективы применения СВЧ-установки в фермерских хозяйствах.

Материалы и методы. Выявление эффективных режимов работы установки проводили через регрессионные модели, полученные на основе теории активного планирования трехфакторного эксперимента типа 23 в программах Statistic 12.0, Excel 10.0.

Результаты и обсуждение. Установка содержит в вертикально расположенном биконическом неферромагнитном резонаторе, в виде конических обечаек, соосно расположенные внешний и внутренний пакеты фторопластовых тарелок в виде усеченных конусов. Внутренний пакет тарелок, выполненных в виде терок, установлен на электроприводной диэлектрический вал со спиральным диэлектрическим шнеком в нижней конической обечайке, уменьшающимся шагом и диаметром к выходу из резонатора. Верхняя обечайка перфорирована и соосно расположена в экранирующем усеченном конусе, содержащем на верхнем основании загрузочную емкость с шестеренным нагнетателем, а по периметру нижнего основания желоб 12. Шаг между фторопластовыми перфорированными тарелками в виде усеченных конусов внешнего пакета менее, чем глубина проникновения волны в сырье. Под нижней обечайкой предусмотрена приемная емкость. Магнетроны расположены на поверхностях экранирующего корпуса и нижней обечайки со сдвигом на 120 градусов по периметру и равномерно по высоте резонатора.

Заключение. СВЧ-установка с биконическим резонатором в экранирующей верхней обечайке, где соосно расположены наружные и внутренние пакеты фторопластовых тарелок в виде усеченных конусов, и электроприводной спиральный диэлектрический шнек в нижней обечайке обеспечивает термообработку вторичного мясного сырья в непрерывном режиме в процессе тонкого измельчения. Электроприводной пакет терочных тарелок со спиральным шнеком позволяет управлять продолжительностью передвижения измельчаемого и обезвоживаемого сырья в процессе воздействия электрического поля высокой напряженности (1-3 кВ/см) и удельной мощностью генератора 0,5 кВт/кг; продолжительность 10 мин при загрузке резонатора 12 кг; производительность 71 кг/ч; энергетические затраты 0,141 кВтч/кг; температура нагрева 110 °С.

Ключевые слова: перфорированная обечайка, спиральный шнек, стационарные перфорированные диэлектрические тарелки, электроприводные терочные тарелки

4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

Аннотация

© Воронов Е. В., 2023

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

Для цитирования: Воронов Е. В. Разработка и обоснование параметров СВЧ-установки с биконическим резонатором для термообработки мясных отходов // Вестник НГИЭИ. 2023. № 12 (151). С. 48-59. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-12-48-59

Design and Justification of Parameters for a Microwave Setup with a Biconical Resonator for Thermal Processing of Meat By-Products

Evgeny V. Voronov

Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, Knyaginino, Russia e_voronov@list.ru, https://orcid.org/0000-0002-9867-5860

Abstract

Introduction. The features of a biconical resonator, where it is possible to excite a high-intensity electric field and ensure radio frequency sealing with the appropriate choice of angles at the truncated cone vertices for input and output of the product, open up great prospects for the application of microwave installations in farming. Materials and methods. The identification of effective operating modes of the installation was carried out through regression models obtained based on the theory of active planning of a three-factor experiment type 23 in Statistic 12.0 and Excel 10.0 programs.

Results and discussion. The installation includes a vertically disposed biconical non-ferromagnetic resonator, in the form of conical discs, coaxially located outer and inner packs of fluoroplastic discs in the form of truncated cones. The inner pack of discs, made in the form of gratings, is installed on an electrically driven dielectric shaft with a spiral dielectric helix in the lower conical disc, decreasing in pitch and diameter towards the exit from the resonator. The upper disc is perforated and coaxially located in a shielding truncated cone, containing a loading capacity with a gear pump at the upper base and a groove 12 around the perimeter of the lower base. The pitch between fluoroplastic perforated discs in the form of truncated cones of the outer pack is less than the depth of wave penetration into the raw material. A receiving capacity is provided under the lower disc. Magnetrons are located on the surfaces of the shielding housing and the lower disc with a 120-degree shift around the perimeter and evenly along the height of the resonator. Conclusion. Microwave installation with a biconical resonator in a shielding upper casing, where the outer and inner packages of PTFE plates in the form of truncated cones are coaxially arranged, and an electrically driven spiral dielectric auger in the lower casing provides thermal treatment of secondary meat raw materials in a continuous mode during fine grinding. The electrically driven package of grinding plates with a spiral auger allows to control the duration of movement of the ground and dehydrated raw materials during the exposure to a high-voltage electric field (1-3 kV/cm) and the specific power of the generator 0.5 kW/kg; duration 10 minutes with a resonator load of 12 kg; productivity 71 kg/h; energy consumption 0.141 kWh/kg; heating temperature 110 °C.

Keywords: perforated shell, electrically driven grating plates, spiral auger, stationary perforated dielectric plates

For citation: Voronov E. V. Design and justification of parameters for a microwave setup with a biconical resonator for thermal processing of meat by-products // Bulletin NGIEI. 2023. № 12 (151). С. 48-59. DOI: 10.24412/22279407-2023-12-48-59

Введение

Известно, что СВЧ-установка с биконическим резонатором обладает достаточно высокой собственной добротностью, радиогерметичностью. В таком резонаторе можно возбудить электрическое поле (ЭП) высокой напряженности; соответствующим выбором угла при вершине конуса можно сформировать электромагнитное поле (ЭМП), сконцентрированное в необходимой части резонатора [1; 2]. Такие особенности резонатора, связанные с

возможностью обеспечения радиогерметичности, открывает большие перспективы применения СВЧ-установки в условиях фермерских хозяйств. Известно, что на базе конического и биконического резонаторов разработаны СВЧ-установки для термообработки вторичного сырья животного происхождения. Например, в установке с коническим резонатором (рис. 1) [3] совмещены процессы обезвоживания измельченного мясного сырья, тонкое измельчение и термообработка твердой фракции для использования.

i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex

Диэлектрический ротор 24, покрытый мелкозернистым абразивным материалом, при вращении тонко измельчает сырье, за счет центробежной силы жидкая фракция просачивается через ситовый диэлектрический усеченный конус 26, твердая фракция варится и с помощью диэлектрического шнека 29, 30 транспортируется за пределы резонатора.

Рис. 1. СВЧ-установка с коническим резонатором для термообработки и обеззараживания измельченного вторичного сырья животного происхождения: 1 — патрубок для перекачивания вязкого сырья; 2— усеченный конический резонатор; 3, 4 — диэлектрический электроприводной

ротор, покрытый абразивным материалом; 5 — ситовый диэлектрический усеченный конус без оснований; 6 — усеченный диэлектрический конус; 7 — канал для стекания выделенной из сырья жидкости; 8 — диэлектрический шнек для транспортирования вареной твердой фракции сырья; 9 — корпус шнека; 10 — неферромагнитный патрубок для слива жидкой фракции; 11 — стационарное основание усеченного конического резонатора Fig. 1. Microwave installation with conical resonator for heat treatment and disinfection of crushed secondary raw materials of animal origin: 1 — pipe for pumping viscous raw materials; 2 — truncated conical resonator; 3, 4 — dielectric electric drive rotor coated with abrasive material; 5 — sieve dielectric truncated a cone without bases; 6 — a truncated dielectric cone; 7 — a channel for draining liquid extracted from raw materials;

8 — dielectric screwfor transporting the boiled solid fraction of raw materials; 9 — a screw body; 10 — non—ferromagnetic nozzle for draining the liquid fraction; 11 - a stationary base of a truncated conical resonator Источник: разработано автором в программе Компас-3Б V20

Недостаток конструкции: не удается чередовать ЭП высокой и слабой напряженности, из-за чего снижается равномерность нагрева сырья.

В СВЧ-установке с биконическим резонатором и винтовым шнеком для термообработки измельченного вторичного сырья животного происхождения (рис. 2) [4] напряженность электрического поля (ЭП) увеличивается от центра к вершинам круговых конусов. Поэтому при перемещении сырья с помощью винтового шнека 3 через бикониче-ский резонатор сырье подвергается воздействию ЭМПСВЧ высокой напряженности с постепенным спадом до центральной части резонатора, а далее с увеличением напряженности ЭП к выгрузному отверстию 7. Такое двукратное воздействие ЭП с плавным изменением напряженности ЭП от минимума до максимума обеспечивает термообработку и снижение бактериальной обсемененности продукта. При этом происходит выравнивание температуры сырья в объеме межвиткового пространства шнека в процессе перемещения и перемешивания. Недостаток конструкции — неэффективность для сырья высокой влажности.

Рис. 2. СВЧ-установка с биконическим резонатором для термообработки и обеззараживания измельченного вторичного сырья животного происхождения: 1 - мотор-редуктор для привода шнека; 2 - загрузочная емкость для измельченного сырья; 3 - винтовой шнек; 4 - корпус шнека; 5 - биконический резонатор; 6 - магнетроны;

7 - выгрузное отверстие Fig. 2. Microwave installation with biconic resonator for heat treatment and disinfection of crushed secondary raw materials of animal origin: 1 - gear motor for screw

drive; 2 — loading tank for crushed raw materials; 3 - screw auger; 4 - screw body; 5 - biconic resonator; 6 - magnetrons; 7 - discharge hole Источник: разработано автором в программе Компас-3D V20

электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'

С учетом вышеуказанных преимуществ и недостатков разработана СВЧ-установка с биконическим резонатором, содержащим пакеты диэлектрических тарелок, позволяющих управлять продолжительностью передвижения тонко измельчаемого и обезвоживаемого сырья в процессе воздействия ЭМПСВЧ (рис. 3).

Материалы и методы В программе Компас-3D V20 проводили трехмерное моделирование конструкционного исполнения СВЧ-установки с биконическим резонатором. В программе CST Microwave Studio 2018 трехмерным моделированием объемного резонатора, выполненного с помощью программ SolidWorks, Компас 3DV20 [5; 6], проводили исследования электродинамических параметров. При этом оценивали собственную добротность резонатора, распределение напряженности ЭП и плотности тока.

Выявление эффективных режимов работы установки с биконическим резонатором проводили через регрессионные модели, полученные на основе теории активного планирования трехфакторного эксперимента типа 23 в программах Statistic 12.0, Excel 10.0.

Результаты и обсуждение

Обрабатываемое сырье не однородное, поэтому оно предварительно измельчается с помощью шестеренного нагнетателя, позволяющего измельчать кости и сухожилия. Задачей является сохранение кормовой ценности при переработке мясокостных отходов в условиях фермерских хозяйств. К такому сырью относятся мясо и субпродукты, не пригодные в пищу и отбракованные при ветеринар-но-санитарной экспертизе на предприятиях мясной промышленности при послеубойном осмотре туш скота и тушек птицы [7; 19; 20].

Техническая проблема - низкая энергоэффективность установок для термообработки вторичного сырья животного происхождения решается путем разработки СВЧ-установки, позволяющей при тонком измельчении и перемешивании провести термообработку в биконическом резонаторе в непрерывном режиме с обеспечением электромагнитной безопасности.

Аналогом является центробежный паровой плавитель «Чита» [8, с. 339]. В нем жиросодержа-щее сырье обрабатывается острым паром, предварительно измельченное до частиц размером 0,2-0,3 мм. Установка состоит из верхней и нижней конических обечаек, соединенных периметрами основа-

ний. В верхней обечайке установлены два пакета конических тарелок. Недостаток - большой расход пара, из-за чего данную конструкцию в условиях фермерских хозяйств реализовать сложно.

Наиболее близким устройством по совокупности существенных признаков является СВЧ-установка непрерывно-поточного действия с бико-ническим резонатором и шнеком для варки отходов убоя животных (патент № 2729151) [4]. Установка обеспечивает термообработку предварительно измельченных непищевых отходов при перемещении через биконический резонатор электроприводным диэлектрическим винтовым шнеком. Недостаток -энергоэффективность установки не отвечает требованиям фермерских хозяйств.

Актуальной задачей остается разработка микроволновой технологии переработки вторичного сырья в резонаторе, обеспечивающем повышение эффективности функционирования радиогерметичной СВЧ-установки в непрерывном режиме.

Существенное отличие предлагаемой установки. В биконическом неферромагнитном резонаторе соосно расположены наружные и внутренние пакеты фторопластовых тарелок в виде усеченных конусов и электроприводной диэлектрический вал со спиральным диэлектрическим шнеком в нижней обечайке, а верхняя обечайка перфорирована и со-осно расположена в экранирующем усеченном конусе, содержащем шестеренный нагнетатель в загрузочной емкости.

Установка содержит биконический неферромагнитный резонатор, представленный в виде соединенных периметрами оснований верхней 3 и нижней 8 конических обечаек. Перфорированная верхняя коническая обечайка 3 расположена внутри неферромагнитного конического экранирующего корпуса 13. На верхней части экранирующего корпуса 13 установлена неферромагнитная загрузочная емкость, внутри которой расположен неферромагнитный шестеренчатый нагнетатель 2. В верхней обечайке соосно установлено два пакета конических (в виде усеченного корпуса) тарелок из фторопласта: внешний перфорированный 4 и внутренний терочный 5, 6. Тарелки установлены поярусно, причем перфорированные тарелки внешнего пакета 4 расположены усеченными конусами вниз, а тарелки внутреннего пакета 6, выполненные в виде терок, -усеченными конусами вверх. Верхняя тарелка 5 внутреннего пакета 6 сплошная и на нее поступает мясокостное сырье.

i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex

б/b

i

г/g д/d e/e

Рис. 3. СВЧ-установка с биконическим резонатором и пакетами тарелок для термообработки мясокостных конфискатов: а) технологическая схема; б) общий вид в разрезе; в); экранирующий корпус с нижней обечайкой; г) перфорированная верхняя обечайка; д) фторопластовый пакет терочных тарелок на валу с спиральным шнеком; е) перфорированная внешняя тарелка; 1 — загрузочная емкость; 2 — шестеренный нагнетатель для измельчения и загрузки сырья; 3 - верхняя перфорированная неферромагнитная обечайка резонатора; 4 — внешний пакет фторопластовых перфорированных конических тарелок; 5 — верхняя сплошная фторопластовая коническая тарелка внутреннего пакета; 6 — внутренний пакет фторопластовых терочных конических тарелок; 7 — диэлектрический электроприводной вал; 8 - нижняя коническая неферромагнитная обечайка; 9 — диэлектрический спиральный шнек; 10 — приемная емкость; 11 — магнетроны;

12 — желоб для сбора жидкой фракции; 13 — экранирующий конический корпус Fig. 3. Microwave installation with a biconic resonator and packages of plates for heat treatment of meat and bone seizures: a) technological scheme; b) general cross—sectional view; c); shielding housing with a lower shell; d) perforated upper shell; e) fluoroplastic package of grating plates on a shaft with a spiral screw; f) perforated outer plate; 1 — loading tank; 2 - gear supercharger for grinding and loading raw materials; 3 - upper perforated non—ferromagnetic resonator shell; 4 — outer package of fluoroplastic perforated conical plates; 5 — upper solid fluoroplastic conical plate of the inner package; 6 — inner package of fluoroplastic grating conical plates;

7 - dielectric electric drive shaft; 8 - lower conical non-ferromagnetic shell; 9 — dielectric spiral screw; 10 — receiving capacity; 11 — magnetrons; 12 — chute for collecting liquid fraction; 13 — shielding conical housing Источник: разработано автором в программе Компас-3D V20

электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'

Остальные терочные тарелки пакета 6 выполнены в виде усеченных конусов. Внутренний пакет фторопластовых тарелок 5, 6 прикреплен на диэлектрический электроприводной вал 7, установленный соосно в биконическом резонаторе. В нижней обечайке 8 на этот вал прикреплен диэлектрический спиральный шнек 9, шагом и диаметром, уменьшающимся к выходу из резонатора. Внешний пакет 6 фторопластовых тарелок прикреплен на верхнюю перфорированную обечайку 3. Под нижним основанием нижней обечайки 8 предусмотрена неферромагнитная приемная емкость 10. Волноводы с магнетронами воздушного охлаждения и диэлектрическими втулками расположены на поверхности экранирующего корпуса 13 и на поверхности нижней обечайки 8 со сдвигом на 120° по периметру и равномерно по высоте биконического резонатора.

Технологический процесс происходит следующим образом. Загрузить мясокостное сырье в приемную емкость 1. Включить электропривод внутреннего пакета фторопластовых конических тарелок 5, 6 и спирального диэлектрического шнека 9. Включить электропривод неферромагнитного шестеренного нагнетателя 2 [9], после чего многокомпонентное измельченное сырье, попадая на верхнюю сплошную фторопластовую коническую тарелку 5, распределяется между вращающимися фторопластовыми тарелками внутреннего пакета 6 и между фторопластовыми тарелками внешнего стационарного пакета 4 в перфорированной обечайке 3. Включить все магнетроны 11 с вентиляторами для охлаждения, тогда в биконическом резонаторе 3, 8 возбуждается электромагнитное поле сверхвы-

сокой частоты (ЭМПСВЧ, 2450 МГц, 12,24 см). Сырье за счет центробежной силы отбрасывается к периферии и попадает между фторопластовыми тарелками внешнего пакета 4, жидкая фаза просачивается через верхнюю перфорированную обечайку, стекает через кольцевое пространство между экранирующим коническим корпусом 13 в желоб 12, оттуда в специальный накопитель жидкости. Твердые частицы дополнительно измельчаются при вращении фторопластовых терочных тарелок 6. Тонкоизмельченное многокомпонентное сырье нагревается в ЭМПСВЧ равномерно, так как межтарельчатое пространство внешнего пакета фторопластовых тарелок 4 менее, чем глубина проникновения волны (6-11,2 см) в сырье [10; 11; 16]. Частицы сырья в результате вращения терочных тарелок находятся во взвешенном состоянии, что также повышает равномерность термообработки. Готовый продукт выводится из резонатора с помощью диэлектрического спирального шнека 9 в приемную емкость 10. Частоту вращения следует согласовать с продолжительностью нахождения сырья в резонаторе и со скоростью витания частиц продукта. В нижней обечайке напряженность электрического поля высокая (1-3 кВ/см), достаточная для обеззараживания продукта до 500 тыс. КОЕ/г. Размеры биконического резонатора согласованы с длиной волны, что обеспечивает равномерное распределение ЭМПСВЧ в объеме и высокий КПД [12; 13; 18].

Проведены предварительные экспериментальные исследования зависимости температуры нагрева (Т, °С) измельченных мясных отходов от энергетических затрат (^ кВт-ч/кг) (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость температуры нагрева измельченных мясных отходов в ЭМПСВЧ от энергетических затрат

Fig. 4. The dependence of the heating temperature of ground meat waste in the EMFWH on energy costs Источник: разработано автором по результатом обработки экспериментальных данных в программе Excel 10.0

i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex

Результаты исследования показывают, что при энергетических затратах 0,14-0,2 кВт-ч /кг сырье сварится, при этом температура составляет 110-120 °С.

Пользуясь матрицей планирования 3-фак-торного эксперимента типа 2 , получены регрессионные зависимости, позволяющие оценить влияние основных параметров на приращение температуры

сырья (Т, °С), производительность установки кг/ч), удельные энергетические затраты (Ж, кВтч/кг) [14; 15; 17]. Варьируемыми факторами являлись: масса загрузки сырья в биконический резонатор (х1, кг); продолжительность воздействия ЭМПСВЧ на сырье, (х2, мин); мощность генераторов (х3, кВт.).

Таблица 1. Матрица активного планирования эксперимента типа 23 Table 1. Matrix of active planning of experiment type 23

Варьируемые параметры / Variable parameters

Удельная мощность Масса загрузки Продолжительность Количество СВЧ-генераторов

№ генератора / в резонатор / обработки / и мощность генераторов /

Specific power Loading mass into Duration The number of microwave generators

of the generator the resonator of processing and the power of generators

Руд, Вт/г Xl G, кг X2 Т, мин / ч Х3 n, шт. Рген., кВт

1 0,5 + 18 + 12 /0,5 + 9 9

2 0,167 + 18 - 8 / 0,133 - 3 3

3 0,5 - 6 + 12 / 0,5 - 3 3

4 1,5 - 6 - 8 / 0,133 + 9 9

5 0,5 0 12 0 10 / 0,167 0 6 6

6 1,0 - 6 0 10 / 0,167 0 6 6

7 0,33 + 18 0 10 / 0,167 0 6 6

8 0,5 0 12 - 8/ 0,133 0 6 6

9 0,5 0 12 + 12 / 0,5 0 6 6

10 0,25 0 12 0 10 / 0,167 - 3 3

11 0,75 0 12 0 10 /0,167 + 9 9

Источник: составлено автором по результатам исследований

Таблица 2. Критерии оптимизации Table 2. Optimization criteria

Производительность Энергетические Температура

№ установки, кг/ч (Q)/ затраты, кВт ч/кг (W)/ продукта, оС (Т)/

Plant capacity, kg/h (Q) Energy costs, kWh/kg (W) Product temperature, °С

У; У2 Уз

1 36 0,361 125

2 135 0,052 50

3 12 0,58 145

4 45 0,289 120

5 71 0,141 110

6 36 0,278 120

7 107 0,093 60

8 90 0,111 70

9 24 0,417 130

10 72 0,1 68

11 72 0,181 75

Примечание. Энергетические затраты с учетом мощности электроприводов на пакеты тарелок и шестеренного нагнетателя (4 кВт). В уравнении регрессии все факторы в именованных единицах. Источник: составлено автором по результатам исследований

электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'

Пределы изменения варьируемых факторов следующие: х1: 6-18 кг; х2: 8-12 мин; х3: 3-9 кВт. Критериями оптимизации режимных параметров установки являются: Уг - производительность СВЧ-установки кг/ч); У2 - удельные энергетические

затраты на технологический процесс (Ж, кВтч/кг); У3 - температура продукта (Т, °С).

Поверхности откликов и сечения трехфак-торных моделей приведены на рис. 5.

Рис. 5. Поверхности откликов и сечения трехфакторных моделей: а) производительности; б) энергетических затрат; в) температуры продукта в зависимости от продолжительности воздействия ЭМПСВЧ и мощности генераторов при постоянной загрузке резонатора х1 = 12 кг : Yi - энергозатраты (Вт-ч/кг), У2 - температура (°С), х2 - продолжительность воздействия (ч), х3 - мощность генераторов (Вт) Fig. 5. Response surfaces and cross sections of three-factor models: a) productivity; b) energy costs; c) product temperature depending on the duration of exposure to EMF and generator power at a constant load of the resonator х1 = 12 kg: Y1 - energy consumption (Wh/kg), Y2 - temperature (°С ), x2 - duration of exposure (h), x3 - generator power (W) Источник: получено автором в результате обработки экспериментальных данных в программе Statistic 12.0

Регрессионные модели изменения производительности Q (кг/ч), энергозатрат Ж (У2,) и температуры Т (У3, °С) от продолжительности термообработки на сырье (г, мин.) и мощности генераторов (Р, Вт):

О = 265,79-1076,36 -г-13,61- Р +

(1)

+1077,67-г2 + 35,73-г-Р + 0,03-Р2, кг/ч, Ж = -0,14 +1,04 -г + 0,03 - Р +

, (2)

+1,41-г - 0,18-г-Р + 0,002 - Р2, Вт - ч / кг, Т = -27,57 + 317,81-г +19,99 - Р +

(3)

+10,28-г2 -29,83-г-Р-0,74-Р2, °С.

Из уравнений следует, что все три фактора оказывают влияние на производительность, энергозатраты и температуру нагрева сырья. Эффективный режим термообработки мясных отходов: удельная мощность генератора 0,5 кВт/кг; продолжительность 10 мин. при загрузке резонатора 12 кг; производительность 71 кг/ч; энергетические затраты 0,141 кВт ч/кг; температура нагрева 110 °С. Предварительные эксперименты показывают, что сваренный продукт по органолептическим показателям соответствует нормативным показателям.

Технические характеристики приведены в табл. 3.

i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex

Таблица 3. Технические характеристики СВЧ-установки с биконическим резонатором и пактами диэлектрических тарелок

Table 3. Technical characteristics of a microwave installation with a biconic resonator and packages of dielectric plates

Наименование / Name

Параметр / Parameter

Количество СВЧ-генераторов / Number of microwave generators Производительность, кг/ч / Capacity, kg/h Масса единовременной загрузки сырья, кг / Mass of one-time loading of raw materials, kg

Мощность шести магнетронов, кВт / Power of six magnetrons, kW Мощность шести вентиляторов для охлаждения магнетронов, кВт (вентилятор осевой канальный CV-150, 30 Вт) /

Power of six fans for magnetron cooling, kW (axial channel fan CV-150, 30 W) Мощность шестеренного нагнетателя, кВт / Power of the gear supercharger, kW Мощность привода пакета тарелок и спирального шнека, кВт / Drive power of a package of plates and a spiral screw, kW Потребляемая мощность СВЧ-установки, кВт / Power consumption of the microwave installation, kW

Удельные энергетические затраты, кВтч/кг / Specific energy costs, kWh/kg Источник: составлено автором по результатам исследований

6

70 12,0 6,0

0,18

1,5 2,5

10,18 0,145

Заключение

1. Разработанная СВЧ-установка с бикониче-ским неферромагнитным резонатором в экранирующей верхней обечайке, где соосно расположены наружные и внутренние пакеты фторопластовых тарелок в виде усеченных конусов, и электроприводной спиральный диэлектрический шнек в нижней обечайке обеспечивает термообработку вторичного мясного сырья в непрерывном режиме в процессе тонкого измельчения.

2. Электроприводной пакет терочных тарелок с спиральным шнеком в биконическим резонаторе позволяет управлять продолжительностью передвижения тонко измельчаемого и обезвоживаемого сырья в процессе воздействия ЭМПСВЧ.

3. Эффективный режим термообработки мясных отходов: удельная мощность генератора 0,5 кВт/кг; продолжительность 10 мин. при загрузке резонатора 12 кг; производительность 71 кг/ч; энергетические затраты 0,141 кВт ч/кг; температура нагрева 110 °С.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Дробахин О. О., Салтыков Д. Ю. Исследование возможности применения связанных биконических резонаторов для определения параметров диэлектрических материалов // Прикладная радиоэлектроника. 2014. Том 13. № 1. С. 63-69.

2. Дробахин О. О., Заболотный П. И., Привалов Е. Н. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами // Радиофизика и радиоастрономия. 2009. Т. 1. № 4. С.433-441.

3. Новикова Г. В., Просвирякова М. В., Михайлова О. В., Тихонов А. А., Шогенов Ю. Х., Зиганшин Б. Г., Сторчевой В. Ф. Патент № 2787383. РФ, МПК А23Ш7. Модульная СВЧ установка непрерывно-поточного действия для термообработки сырья; заявитель и патентообладатель НГИЭУ (ЯИ). № 2022110407; заявл. 18.04.2022; опубл. Бюл. № 1 от 09.01.2023. 15 с.

4. Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Белова М. В., Михайлова О. В., Лаврентьева Т. Н. Патент № 2729151 РФ, МПК А23К10/26. Сверхвысокочастотная установка с биконическим резонатором и шнеком для варки отходов убоя животных; заявитель и патентообладатель НГСХА ^Ц). № 2018112186; заявл. 5.02. 2018. Бюл. № 22 от 04.08.2020. 13 с.

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX

5. Рябченко В. Ю., Паслён В. В. Компьютерное моделирование объектов с помощью IIII CST Microwave Studio // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. 2018. № 1. С. 139.

6. Курушин А. А., Пластиков А. Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М. : МЭИ, 2012. 152 с.

7. Вендин С. В. ЭМП СВЧ для обработки сырья в АПК // КИП и автоматика: обслуживание и ремонт. 2020. № 9. С. 38-41. EDN FACCAV.

8. Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. М. : Колос, 2001. 552 с.

9. Технологическое оборудование пищевых производств / Под ред. Б. М. Азарова. М. : ВО Агропромиз-дат, 1988. 463 с.

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

11. Баскаков С. И. Электродинамика и распространения волн. М. : URSS. 2012. 416 c.

12. Belova M. V., Novikova G. V., Ershova I. G. Innovations in technologies of agricultural raw materials processing // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Т. 11. № 6. P. 1269-1277.

13. Гришина Е. М. Расчет установки для СВЧ обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. Т. 2. № 2с (66). С. 54-58.

14. Жданкин Г. В. Техника сверхвысокочастотного нагрева вторичного сырья агропредприятий для повышения кормовой ценности. Автореферат диссертации на соискание уч. степени д.т.н. ФГБОУ ВО «Мичуринский ГАУ», Мичуринск-наукоград РФ, 2021, 40 с.

15. Тухватуллин М. И. Обеспечение равномерной микроволновой обработки биологических субстратов в СВЧ электротехнологической установке // Российский электронный научный журнал. 2022. № 4 (46). С. 22-32. DOI 10.31563/2308-9644-2022-46-4-22-32. EDN JDZCHR.

16. Tuhvatullin M., Arkhangelsky Yu., Aipov R. S., Khasanov E. Innovations in designing microwave electro-technological units with hybrid chambers // Spanish Journal of Agricultural Research. 2023. V. 21. № 1. P. 0202. DOI 10.5424/sjar/2023211-19683. EDN OPLYBY.

17. Fedotov A. V., Svittsov A. A., Vanchurin V. I. Integrated Processing of Waste Water Containing Organic Pollutants and Plant Waste of the Agro-Industrial Complex // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2021. V. 15. № 7. P. 1200-1206. DOI 10.1134/S1990793121070046. EDN DSKOCF.

18. Amini A., Latifi M., Chaouki J. Electrification of materials processing via microwave irradiation: A review of mechanism and applications // Applied Thermal Engineering. 2021. V. 193. P. 117003. DOI 10.1016/j .applthermaleng.2021.117003. EDN UMVFLO.

19. Boshkova I., Volgusheva N., PotapovM. et al. Testing a microwave device for the treatment of plant materials by various technologies // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2020. V. 2. № 4. P. 64-71. DOI 10.15587/1729-4061.2020.199816. EDN HVTGOQ.

20. Zhou J., Li Y., Yang T. et al. Microwave heating and processing of solid metals using electromagnetic resonators // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. V. 123. № 3. P. 1111-1121. DOI 10.1007/s00170-022-10244-w. EDN QZOOON.

Дата поступления статьи в редакцию 14.09.2023; одобрена после рецензирования 18.10.2023.

принята к публикации 20.10.2023.

Информация об авторе: Е. В. Воронов - к.э.н., доцент, Spin-код: 8963-4080.

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

electrical technologies, electrical equipment

xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_

REFERENCES

1. Drobahin O. O., Saltykov D. Yu. Issledovanie vozmozhnosti primeneniya svyazannyh bikonicheskih rezona-torov dlya opredeleniya parametrov dielektricheskih materialov [Investigation of the possibility of using coupled bi-conic resonators to determine the parameters of dielectric materials], Prikladnaya radioelektronika [Applied Radioe-lectronics], 2014, Vol 13, No. 1, pp. 63-69.

2. Drobahin O. O., Zabolotnyj P. I., Privalov E. N. Rezonansnye svojstva aksial'no-simmetrichnyh mikro-volnovyh rezonatorov s konicheskimi elementami [Resonant properties of axially symmetric microwave resonators with conical elements], Radiofizika i radioastronomiya [Radiophysics and radio astronomy], 2009, Vol. 1, No. 4, pp.433-441.

3. Novikova G. V., Prosviryakova M. V., Mihajlova O. V., Tihonov A. A., Shogenov Yu. H., Ziganshin B. G., Storchevoj V. F. Patent No. 2787383. RF, MPK A23N17. Modul'naya SVCH ustanovka nepreryvno-potochnogo dejstvi-ya dlya termoobrabotki syr'ya [Modular microwave continuous-flow unit for heat treatment of raw materials], zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). No. 2022110407, zayavl. 18.04.2022, opubl. Byul. No. 1 ot 09.01.2023, 15 p.

4. Zhdankin G. V., Novikova G. V., Belova M. V., Mihajlova O. V., Lavrent'eva T. N. Patent No. 2729151 RF, MPK A23K10/26. Sverhvysokochastotnaya ustanovka s bikonicheskim rezonatorom i shnekom dlya varki othodov uboya zhivotnyh [Ultrahigh frequency installation with a biconic resonator and auger for cooking animal slaughter waste], zayavitel' i patentoobladatel' NGSKHA (RU), No. 2018112186, zayavl. 5.02. 2018. Byul. No. 22 ot 04.08.2020, 13 p.

5. Ryabchenko V. Yu., Paslyon V. V. Komp'yuternoe modelirovanie ob"ektov s pomoshch'yu PP CST Microwave Studio [Computer modeling of objects using PP CST Microwave Studio], Sovremennye problemy radioelektro-niki i telekommunikacij [Modern problems of radio electronics and telecommunications], 2018, No. 1, pp. 139.

6. Kurushin A. A., Plastikov A. N. Proektirovanie SVCH ustrojstv v srede CST Microwave Studio [Designing microwave devices in the CST Microwave Studio environment], Moscow: MEI, 2012, 152 p.

7. Vendin S. V. EMP SVCH dlya obrabotki syr'ya v APK [icrowave EMF for processing raw materials in the agro-industrial complex], KIP i avtomatika: obsluzhivanie i remont [KIP and automation: maintenance and repair], 2020, No. 9, pp. 38-41, EDN FACCAV.

8. Ivashov V. I. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatij myasnoj promyshlennosti. CHast' 1. Oborudo-vanie dlya uboya i pervichnoj obrabotki [Technological equipment of meat industry enterprises. Part 1. Equipment for slaughter and primary processing], Moscow: Kolos, 2001. 552 p.

9. Tekhnologicheskoe oborudovanie pishchevyh proizvodstv [Technological equipment for food production], In B. M. Azarov (ed.), Moscow: VO Agropromizdat, 1988, 463 p.

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

11. Baskakov S. I. Elektrodinamika i rasprostraneniya voln [Electrodynamics and wave propagation], Moscow: URSS, 2012, 416 p.

12. Belova M. V., Novikova G. V., Ershova I. G. Innovations in technologies of agricultural raw materials processing, Journal of Engineering and Applied Sciences, 2016, Vol. 11, No. 6, pp. 1269-1277.

13. Grishina E. M. Raschet ustanovki dlya SVCH obrabotki materialov s razlichnymi dielektricheskimi svojst-vami [Calculation of an installation for microwave processing of materials with various dielectric properties], Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], Vol. 2, No. 2s (66), 2012, pp. 54-58.

14. Zhdankin G. V. Tekhnika sverhvysokochastotnogo nagreva vtorichnogo syr'ya agropredpriyatij dlya pov-ysheniya kormovoj cennosti [Technique of ultrahigh frequency heating of secondary raw materials of agricultural enterprises to increase feed value. Dr. Sci. (Engineering) thesis], FGBOU VO «Michu-rinskij GAU», Michurinsk-naukograd RF, 2021, 40 p.

15. Tuhvatullin M. I. Obespechenie ravnomernoj mikrovolnovoj obrabotki biologicheskih substratov v SVCH elektrotekhnologicheskoj ustanovke [Ensuring uniform microwave processing of biological substrates in a microwave electrotechnological installation], Rossijskij elektronnyj nauchnyj zhurnal [Russian Electronic Scientific Journal], 2022, No. 4 (46), pp. 22-32, DOI 10.31563/2308-9644-2022-46-4-22-32, EDN JDZCHR.

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX

16. Tuhvatullin M., Arkhangelsky Yu., Aipov R. S., Khasanov E. Innovations in designing microwave electro-technological units with hybrid chambers, Spanish Journal of Agricultural Research, 2023, Vol. 21, No. 1, pp. 0202. DOI 10.5424/sjar/2023211-19683. EDN OPLYBY.

17. Fedotov A. V., Svittsov A. A., Vanchurin V. I. Integrated Processing of Waste Water Containing Organic Pollutants and Plant Waste of the Agro-Industrial Complex, Russian Journal of Physical Chemistry B., 2021, Vol. 15, No. 7, pp. 1200-1206, DOI 10.1134/S1990793121070046, EDN DSKOCF.

18. Amini A., Latifi M., Chaouki J. Electrification of materials processing via microwave irradiation: A review of mechanism and applications, Applied Thermal Engineering, 2021, Vol. 193, pp. 117003, DOI 10.1016/j .applthermaleng.2021.117003, EDN UMVFLO.

19. Boshkova I., Volgusheva N., Potapov M. et al. Testing a microwave device for the treatment of plant materials by various technologies, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2020, Vol. 2, No. 4, pp. 64-71, DOI 10.15587/1729-4061.2020.199816, EDN HVTGOQ.

20. Zhou J., Li Y., Yang T. et al. Microwave heating and processing of solid metals using electromagnetic resonators, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, Vol. 123, No. 3, pp. 1111-1121, DOI 10.1007/s00170-022-10244-w, EDN QZOOON.

The article was submitted 14.09.2023; approved after reviewing 18.10.2023; accepted for publication 20.10.2023.

Information about the author: E. V. Voronov - Ph. D. (Economy), associate professor, Spin-code: 8963-4080.