CC BY
17
3. Берман Г.К., Ворожцов Л.А., Мачихин Ю.А. Течение вязкопластических масс в шнеке // Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 1970. - №3. - С. 160-161.
4. Бельков Л.В., Казаков А.В. Моделирование течения расплава полимера в винтовом канале // Электротехника, информационные технологии, системы управления: сб. статей / Пермский национальный исследовательский политехн. ун-т. - Пермь: Вестник ПНИПУ. -№16. - 2015. - С.88-97.
5. Бессонова М.П., Пономарева М.А., Якутенок В.А. Расчет течения степенной жидкости в одношнековом экструдере // Вестник ТГУ. - 2017. - №49.
6. Усманов И.И., Пеленко В.В. Элементы теории расчета волчков: монография. - СПб.: Ношир, 2018. - 88 с.
7. Пеленко В., Похольчено В., Усманов И. и др .Математическое моделирование и расчет конструктивных параметров измельчителей с переменным шагом винтовой линии шнека // Вестник МГТУ. - 2017. - Т. 20. - № 3. - С. 556-562.
Literatura
1. Priporov I.E. Obosnovanie vintovoj poverhnosti shneka peremennogo shaga press-ehkstrudera // Nauchnoe obespechenie agroprpomyshlennogo kompleksa: sb. statej / Kubanskij GAU im. I.T. Trubilina. - Krasnodar, 2017. - S. 440-442.
2. SHenkel' G. SHnekovye pressy dlya plastmass. - M.: Goskhimizdat, 1966. - 465s.
3. Berman G.K., Vorozhcov L.A., Machihin YU.A. Techenie vyazkoplasticheskih mass v shneke // Izvestiya VUZov. Pishchevaya tekhnologiya. - 1970. - №3. - S. 160-161.
4. Bel'kov L.V., Kazakov A.V. Modelirovanie techeniya rasplava polimera v vintovom kanale // EHlektrotekhnika, informacionnye tekhnologii, sistemy upravleniya: sb. statej / Permskij nacional'nyj issledovatel'skij politekhn. un-t. - Perm': Vestnik PNIPU. - №16. - 2015. - S.88-97.
5. Bessonova M.P., Ponomareva M.A., YAkutenok V.A. Raschet techeniya stepennoj zhidkosti v odnoshnekovom ehkstrudere // Vestnik TGU. - 2017. - №49,
6. Usmanov I.I., Pelenko V.V. EHlementy teorii rascheta volchkov: monografiya. - SPb.: Noshir, 2018. - 88 s.
7. Pelenko V., Pohol'cheno V., Usmanov I. i dr. Matematicheskoe modelirovanie i raschet konstruktivnyh parametrov izmel'chitelej s peremennym shagom vintovoj linii shneka // Vestnik MGTU. - 2017. - T. 20. - № 3. - S. 556-562.
УДК 637.02
Канд. экон. наук Е.А. ШАМИН (ГБОУ ВО НГИЭУ, [email protected]) Доктор техн. наук, профессор Г.В. НОВИКОВА (ГБОУ ВО НГИЭУ, [email protected]) Доктор техн. наук М.В. БЕЛОВА (ГБОУ ВО НГИЭУ)
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВЧ УСТАНОВКИ С ЭЛЛИПСОИДНЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ВОЛОСЯНОГО ПОКРОВА СО ШКУР КРОЛИКОВ
Учитывая реальные потребности рынка, развитие кролиководства является наиболее перспективным направлением животноводства. Но в связи с тем, что очень низкий сбыт высушенных шкур, в большинстве фермерских кролиководческих хозяйствах шкуры кроликов с густым мехом после съемки с туш утилизируют или направляют в цеха по производству белковых кормов. Поэтому для фермерских кролиководческих хозяйств разработка установки и технологии отделения волосяного покрова от кожи кроликов, его сбор с целью использования как ценное сырье, актуальна. Имеется старинный способ снятия
пуха со шкурок кроликов, для чего шкуры предварительно отволаживаются путем натирания с мездровой стороны раствором соли (4%), после чего отделение пуха от мездры осуществляется на щипальных машинах [1]. Данный способ длительный.
Целью работы является разработка ресурсосберегающей микроволновой технологии сбора пуха со шкуры кроликов в непрерывном режиме в условиях фермерских хозяйств.
Задачи исследования: 1. Теоретически обосновать конфигурацию объемного резонатора для обеспечения высокой собственной добротности и напряженности электрического поля.
2. Разработать микроволновую установку для ослабления силы удерживаемости волосяного покрова в дерме кожи и его сбора в непрерывном режиме.
Материалы, методы и объекты исследования. Объект исследования -технологические процессы, обеспечивающие ослабление силы удерживаемости волосяного покрова в коже шкур кроликов для сбора пуха; экспериментальный образец сверхвысокочастотной установки, реализующей микроволновую технологию. Теоретически обосновывается конфигурация и размер объемного резонатора и рабочей камеры, исходя из необходимой производительности и КПД сверхвысокочастотной установки (СВЧ). Пространственное изображение установки выполнено в программе Компас-ЭБ У17.
Результаты исследования. Поставленные задачи направлены на разработку микроволновой установки с эллипсоидными резонаторами, обеспечивающей ослабление силы удерживаемости волосяного покрова в дерме шкур кроликов, мездровая сторона которых увлажняется рассолом в процессе воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и сбор пуха в непрерывном режиме.
Известно, что конструкция резонаторов должна быть такой, чтобы нагрев сырья был равномерным и объем достаточным для размещения правилки со шкурой, и линейные размеры в 5 - 6 раз превышали длину волны генератора. В таком резонаторе может быть одновременно возбуждено несколько видов колебаний от одного генератора с фиксированной частотой и могут в различных местах объема резонатора интерферировать [2]. Известно, что если отсутствуют потери на излучение и объемный резонатор обладает высокой собственной добротностью, то потери сверхвысокочастотной энергии, идущие на нагрев стенок, уменьшаются, а КПД установки увеличивается. В связи с этим разрабатываем микроволновую установку с резонаторной камерой, обладающей достаточно высокой собственной добротностью, высокой напряженностью электрического поля, обеспечивающей непрерывность технологического процесса воздействия электромагнитного поля со скважностью меньше или равной 0,5 (отношение продолжительности воздействия к продолжительности цикла). Это позволит выравнить температуру и давление в объеме кожи, т.е. исключить неравномерный нагрев.
Известно, что самой максимальной добротностью обладают сферические резонаторы [3, 4], но при большом габарите правилки для кожи, в больших сферических объемах обеспечить высокую напряженность электрического поля затруднительно, а в сплющенном эллипсоиде вращения напряженность электрического поля будет достаточно высокой, позволяющей обеззараживать волосяной покров шкуры. При расположении сплющенных резонаторов, с малой осью по траектории их перемещения, и расстоянием между ними больше, чем длина малой оси, можно обеспечить скважность меньше, чем 0,5, т.е. радиальный угол между эллипсоидами вращения должен быть меньше, чем радиальный угол, куда размещен сплющенный эллипсоид вращения. Проанализируем, при каких конструкционных размерах сплющенного эллипсоида вращения можно сохранить высокую собственную добротность и как обеспечить непрерывность технологического процесса [2, 5, 6, 7]. Если сегмент сплющенного эллипсоида вращения отделить и установить стационарно, внутрь поместить излучатель от магнетрона сверхвысокочастотного генератора, а основную часть эллипсоида передвигать, то образуется резонаторно-лучевая электродинамическая система, обеспечивающая диэлектрический нагрев сырья. Собственную добротность резонатора, выполненного в виде эллипсоида вращения, можно приблизительно рассчитать и определить эффективные размеры. Это удвоенное отношение объема, в котором запасается
энергия электромагнитного поля, к объему, в котором она расходуется, т.е. к объему, занимаемому поверхностным слоем во всех стенках резонатора [2]:
б = 2 •
V
Б •А
• К,
(1)
где V - объем резонатора, м3; S - площадь внутренней поверхности стенок резонатора, м2; А - толщина поверхностного слоя, м; К - геометрический множитель, учитывающий снижение добротности резонатора из-за щели между сегментом и передвижной частью эллипсоида, и окна зашторенного сеткой из неферромагнитного материала.
Для неферромагнитных материалов толщина поверхностного слоя при изготовлении резонатора из алюминия определяется по формуле [2]:
66 •
А = ■
а
меди 66 -10'
-3
а
1
5,8 -10
7
3,5-10
7
47
V2450•
10
6
= 1,716 мкм.
(2)
где/ - частота электромагнитного поля, Гц; а - удельная проводимость алюминия, См/м; амеди - удельная проводимость меди, См/м.
У сплюснутого эллипсоида вращения две большие (2а) оси и одна малая (2Ь) ось. Площадь поверхности сплюснутого сфероида при эффективных размерах полуосей:
Б = 2 • к • а •
2 • 3,14 • 0,4-
а +
Ьг
4 а 2 - Ь 2
• 1п
а + у[а2 - Ь2
Л
0,12
0,4 + -=_
д/0,42 - 0,12
• 1п
0,4 + 70,42 - 0,12
0,1
= 1,139 м2.
(3)
Объем сплюснутого сфероида:
V =
4 • к • а • Ь2 4 • 3,14 • 0,4 • 0,12
= 0,01675 м5.
33
Собственная добротность резонатора в виде эллипсоида вращения с учетом потерь энергии через щели:
б = 2 •
V
Б •А
• К = 2 •-
0,01675
1,139 •1,716 •Ю
-6
• 0,9 = 8000.
(4)
(5)
Ь
у
у
Исследования показывают, что при таком же объеме собственная добротность сферического резонатора может составить 10000, но габаритные размеры всей установки намного увеличатся, поэтому разрабатываем резонаторы в виде сплюснутого эллипсоида вращения (пустотелый эллипсоид). Реальное значение собственной добротности резонатора будет чуть ниже расчетного значения из-за шероховатости его внутренней поверхности резонатора. Как видим, собственная добротность эллипсоида вращения меньше собственной добротности сферы на 20%.
Микроволновая установка с эллипсоидными резонаторами для отделения волосяного покрова со шкур кроликов в непрерывном режиме (рис. 1) содержит следующие узлы:
- цилиндрический экранирующий корпус 1 с металлосеточной шторой 13 на окне, вырезанном на его боковой поверхности, установленный на монтажном каркасе, где расположен электродвигатель для привода связанных между собой эллипсоидов 10 вращения (без сегментов 4), а также пневмонасос и емкость с рассолом;
- эллипсоиды вращения 10 (без верхних сегментов 4), связанных через шарнирные крепежи 11 между собой и с валом 7 электродвигателя, обеспечивающего их передвижение, соприкасаясь с ободком 12 с направляющей дугой, обеспечивающей поочередное опрокидывание эллипсоида для выгрузки правилки 2 с кожей через зашторенное 13 окно;
- верхнее основание 5 цилиндрического экранирующего корпуса 1, имеющее загрузочное отверстие, закрытое двухстворчатой крышкой, с внутренней стороны корпуса стационарно прикреплены сегменты эллипсоидов вращения 4, куда помещены излучатели 8 от магнетронов, а сквозь основания 5 экранирующего корпуса установлены патрубки 9 и 6 для отвода пуха и подачи рассола.
Рис. 1. Микроволновая установка с эллипсоидными резонаторами для отделения волосяного покрова со шкур кроликов в непрерывном режиме: а) общий вид; б) вид без верхнего основания экранирующего корпуса; 1 - цилиндрический экранирующий корпус; 2 - диэлектрические правилки; 3 - диэлектрические корпуса; 4 - верхние сегменты эллипсоидов вращения; 5 - верхнее основание цилиндрического экранирующего корпуса; 6 - патрубок для подачи рассола; 7 - вал электродвигателя; 8 - излучатели; 9 - патрубки для отвода пуха; 10 - сплюснутые эллипсоиды вращения без верхнего сегмента; 11 - шарнирные крепежи; 12 -направляющий ободок с направляющей дугой для выгрузки правилки; 13 - штора, экранирующая из
металлосеточной пленки
Эллипсоид вращения 10 вместе с сегментом 4, содержащим излучатель от магнетрона СВЧ генератора, образует эллипсоидный резонатор. Внутри вертикально расположенного цилиндрического экранирующего корпуса 1 по периферии установлены эллипсоиды вращения 10. Они (10) установлены так, что одна большая ось эллипсоида в вертикальной плоскости, вторая большая ось в радиальной плоскости цилиндрического экранирующего корпуса, а малая ось - со стороны образующей цилиндрического экранирующего корпуса 1. Эти эллипсоиды вращения 10 связаны между собой и валом 7 электродвигателя с помощью шарнирных крепежей 11 для обеспечения их передвижения. Верхние сегменты 4 эллипсоидов вращения прикреплены стационарно под верхним основанием 5 экранирующего корпуса 1.
На верхнем основании 5 имеется отверстие, закрытое двухстворчатой крышкой, размером сечения сегмента 4, для загрузки правилки 2 со шкурой кролика, а также патрубки 9, 6 для отвода пуха с помощью пневмонасоса и подачи рассола в пространство между кожей и корпусом 3 в виде усеченного конуса прямоугольным сечением из диэлектрического материала. Внутрь корпуса 3 укладывают правилки 2 со шкурой. Правилки из диэлектрического материала выполнены в виде усеченных конусов с прямоугольным сечением, причем основания каждого усеченного конуса закрыты сплошной плоскостью, для ограничения доступа рассола во внутрь шкуры (со стороны пуха). Некоторые сегменты 4 эллипсоидов вращения содержат излучатели 8 от соответствующих магнетронов СВЧ генераторов, расположенных на верхнем основании экранирующего корпуса. К другим сегментам 4 эллипсоидов вращения прикреплены патрубки для отвода пуха 9 и подачи рассола 6.
На образующей экранирующего корпуса имеется окно, зашторенное с помощью металлосеточной пленки 13, размером вертикального сечения эллипсоида вращения 4 по малой оси. Это окно предназначено для выгрузки из корпуса 3 правилки 2 с кожей. С
внутренней стороны образующей экранирующего корпуса установлен ободок 12 с направляющей дугой, так что обхватывает эллипсоиды вращения 4 с периферийной стороны, кроме одного эллипсоида, опрокинутого на направляющую дугу. Направляющая дуга размещена около шторы 13, внутри экранирующего корпуса, так, чтобы из опрокинутого эллипсоида вращения 4 могла выгрузиться правилка 2 с кожей.
Технологический процесс сбора волосяного покрова со шкур кроликов в микроволновой установке с эллипсоидными резонаторами, обеспечивающей ослабление силы удерживаемости пуха в волосяных луковицах за счет избирательного диэлектрического нагрева кожи, мездровая сторона которой вымачивается в рассоле, происходит следующим образом. Последовательность технологического процесса показана на рис. 2. Натянуть на правилки 2 шкуры кроликов. Включить электродвигатель, вал 7 которого связан с шарнирными крепежами 11 для передвижения эллипсоидов вращения 4 без их верхних сегментов. Направить правилки 2 со шкурой во внутрь корпуса 3 через загрузочное отверстие, закрытое двухстворчатой крышкой на верхнем основании 5 цилиндрического экранирующего корпуса. При продавливании правилкой 2 двухстворчатая крышка раздвигается вниз, правилка размещается в корпусе 3, после чего крышка возвращается в исходное положение.
сетка
Рис. 2. Технологическая схема процесса отделения волосяного покрова со шкур кроликов в СВЧ установке
В процессе передвижения эллипсоидов вращения 4 в экранирующем корпусе, поочередно загрузить через загрузочное отверстие корпуса 3 правилки, с натянутыми шкурами кроликов. Включить насос для подачи рассола через патрубок 6 в промежуток между корпусом 3 и кожей. При этом в рассоле вымачивается мездровая сторона шкуры, а просачивание рассола внутрь правилки ограничено, из-за сплошных оснований конусообразных правилок 2. Далее включить СВЧ генераторы, при этом излучатели 8, расположенные в верхних сегментах 4, направленные внутрь эллипсоидов вращения, обеспечивают ЭМПСВЧ, образованных при стыковке сегментов 4 с излучателями и эллипсоидов вращения 10. При многократном воздействии ЭМПСВЧ на вымоченную в рассоле кожу, через паузу между резонаторами, кожа смягчается, в ней расширяются поры, разрушаются волосяные луковицы и волосяной покров освобождается от дермы. Пауза обеспечивает выравнивание температуры в каждой элементарной частице кожи, исключает коробление.
Освобожденный от дермы волосяной покров пневмонасосом через сегмент, связанный с патрубком 9, отводится в циклон, а правилка с кожей без меха выпадает в процессе опрокидывания эллипсоида вращения 10, когда переместится до направляющей дуги на ободке 12. Шарнирные крепежи 11 обеспечивают опрокидывание эллипсоидов. Штора 13, выполненная из металлосеточной пленки, ограничивает излучение через выгрузное окно. Процессы загрузки правилки со шкурой, залив рассола, воздействие ЭМПСВЧ, отсос волосяного покрова, выгрузка правилки с кожей повторяются в непрерывном режиме. Падающие и отраженные волны вне резонаторов поглощаются рассолом, залитым на нижнее основание экранирующего корпуса, так как патрубок 6 для залива рассола между резонаторами не перекрывается. Это снижает излучение за пределы установки через загрузочное окно и штору 13.
Выводы. В сплющенном эллипсоиде вращения напряженность электрического поля будет достаточно высокой, позволяющей обеззараживать волосяной покров шкуры. При расположении сплющенных резонаторов, с малой осью по траектории их перемещения, и расстоянием между ними больше, чем длина малой оси, можно обеспечить скважность меньше, чем 0,5, т.е. радиальный угол между эллипсоидами вращения должен быть меньше, чем радиальный угол, куда размещен сплющенный эллипсоид вращения.
В предлагаемой СВЧ-установке непрерывного режима работы происходит ослабление силы удерживаемости волосяного покрова в дерме кожи, в процессе передвижения эллипсоидных резонаторов со шкурами на правилках, мездровая сторона которых увлажняется рассолом, залитым в диэлектрический корпус, в виде усеченного конуса. Рассол в электромагнитном поле сверхвысокой частоты смягчает кожу, расширяет поры, разрушает волосяные луковицы и освобождает волосяной покров от дермы. Сбор освобожденного волосяного покрова обеспечивается с помощью пневмонасоса.
Литература
1. А.С. № 40499, http://www.findpatentru/patent/4/40499.html.
2. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. — М.: Радио и связь, 1981. - 96 с.
3. Белова М.В., Новикова Г.В., Поручиков Д.В. Определение продолжительности переработки сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты // Естественные и технические науки. - 2015. — № 6. - С. 521 - 524.
4. Новикова Г.В., Зиганшин Б.Г., Белова М.В., Матвеева А.Н., Петрова О.И. Электродинамический анализ резонаторов, используемых в сверхвысокочастотных установках // Естественные и технические науки. - 2015. — № 6. — С. 286 - 288.
5. Шамин Е.А., Зиганшин Б.Г., Новикова Г.В., Шаронова Т.В. Анализ условий функционирования установки для отделения меха от шкурок кроликов // Вестник НГИЭИ. - 2017. — №8 (75). - С. 41 - 47.
6. Шамин Е.А., Зиганшин Б.Г., Новикова Г.В. Разработка сверхвысокочастотной установки с цилиндрическими резонаторами для сушки пушно-мехового сырья в непрерывном режиме // Вестник НГИЭИ. - 2017. — № 9(76). - С. 57 - 64.
7. Шамин Е.А., Зиганшин Б.Г., Белова М.В. Разработка аэродинамической сушилки пушно-мехового сырья с сверхвысокочастотным энергоподводом // Вестник НГИЭИ. -2017. — № 10(77). - С. 64 - 71.
Literatura
1. A.S. № 40499, http://www.findpatent.ru/patent/4/40499.html.
2. Pchel'nikov YU.N., Sviridov V.T. EHlektronika sverhvysokih chastot. — M.: Radio i svyaz', 1981. - 96 s.
3. Belova M.V., Novikova G.V., Poruchikov D.V. Opredelenie prodolzhitel'nosti pererabotki syr'ya v ehlektromagnitnom pole sverhvysokoj chastoty // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. -2015. — № 6. - S. 521 - 524.
4. Novikova G.V., Ziganshin B.G., Belova M.V., Matveeva A.N., Petrova O.I.
EHlektrodinamicheskij analiz rezonatorov, 18ро1'2иетуЬ V sverhvysokochastotnyh ustanovkah // Е81е8^еппуе i tekhnicheskie nauki. - 2015. - № 6. - S. 286 - 288.
5. SHamin E.A., Ziganshin B.G., Novikova G.V., SHaronova T.V. Analiz uslovij funkcionirovaniya ustanovki dlya otdeleniya mekha ot shkurok krolikov // Vestnik NGIEHI. -2017. - №8 (75). - 8. 41 - 47.
6. SHamin E.A., Ziganshin B.G., Novikova G.V. Razrabotka sverhvysokochastotnoj ustanovki s cШndricheskimi rezonatorami dlya sushki pushno-mekhovogo syr'ya V nepreryvnom rezhime // Vestnik NGIEHI. - 2017. - № 9(76). - 8. 57 - 64.
7. SHamin E.A., Ziganshin B.G., Belova M.V. Razrabotka aehrodinamicheskoj sushilki pushno-mekhovogo syr'ya s sverhvysokochastotnym ehnergopodvodom // Vestnik NGIEHI. - 2017. - № 10(77). - 8. 64 - 71.
УДК 663.915
Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук В.С. ВОЛКОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕЛЬНИЦАХ
Мельницы с использованием электромагнитного поля представляют собой перспективный тип измельчающего оборудования, предназначенного для однородного смешивания жидких и твердых порошковых веществ с высокими показателями интенсивности, а также тонкого и сверхтонкого измельчения и диспергирования порошковых материалов в пищевой и перерабатывающей отраслях промышленности АПК.
Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований [1, 2], электромагнитные мельницы (ЭМ) отличаются высокой производительностью, надежностью, улучшенным качеством шлифования поверхностей изделий и малой мощностью, расходуемой на управление силовыми нагрузками по частицам перерабатываемого продукта. Дальнейшая успешная реализация аппаратов с электромагнитным способом формирования диспергирующих нагрузок в магнитоожиженном слое ферротел требует более детального изучения влияния скорости относительного смещения рабочих поверхностей ЭМ на структуру распределения ферротел магнитоожиженного слоя и их силовых контактов с частицами перерабатываемого продукта по ширине рабочего объема обработки.
Целью исследований является теоретическое и экспериментальное исследование соотношения между электромагнитными и скоростными режимами работы электромагнитных мельниц, при которых обеспечивается максимизация механических воздействий при минимальных затратах энергии на их формирование.
Материалы, методы и объекты исследования. Объектом исследования являются физико-механические процессы формирования диспергирующих нагрузок при критических скоростных режимах работы электромагнитных мельниц. Использованы методы экспериментально-статистического и дисперсионного анализа. К предмету исследования относятся методики расчета допустимой скорости смещения поверхностей рабочего объема ЭМ, при которой формируются управляемые ударно-истирающие контактные взаимодействия в системе ферроэлементы магнитоожиженного слоя - размалываемые частицы продукта.
Результаты исследования. В ЭМ цилиндрической группы вращение внутреннего цилиндра (рис.1) обуславливает возникновение центробежной силы, которая вызывает оттеснение массы ферротел к наружному неподвижному цилиндру, ограничивающему
