CC BY
31
05.20.02 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ _И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ_
05.20.02 УДК 636
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА НЕПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В НЕПРЕРЫВНОМ РЕЖИМЕ
© 2017
Жданкин Георгий Валерьевич, кандидат экономических наук, доцент, первый проректор, проректор по учебно-методической работе ФГБОУ ВО «Нижегородская ГСХА», г. Нижний Новгород (Россия) Новикова Галина Владимировна, доктор технических наук, профессор Михайлова Ольга Валентиновна, доктор технических наук, профессор Волжский филиаа ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический
университет (МАДИ)», г. Чебоксары (Россия) Кириллов Николай Кириллович, доктор ветеринарных наук, профессор ФГБОУ ВО «Чувашская ГСХА», г. Чебоксары (Россия)
Аннотация
Введение. Совершенствование микроволновой технологии и сверхвысокочастотных установок для варки непищевых отходов убоя животных в непрерывном режиме для технологической линии производства белковой кормовой добавки, является актуальной задачей. Целью работы является разработка и обоснование параметров сверхвысокочастотной установки для термообработки непищевых отходов животного происхождения в непрерывном режиме, обеспечивающих повышение качества кормового продукта с наименьшими эксплуатационными затратами. Объект исследований - технологические процессы многократного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на многокомпонентное сырье в непрерывном режиме. Предметом исследований является выявление закономерностей непрерывного технологического процесса диэлектрического нагрева многокомпонентного сырья для определения эффективного режима функционирования сверхвысокочастотных установок.
Материалы и методы. На основе результатов исследований, полученных при помощи классических математических, физических, статистических методов обоснованы конструкционно-технологические параметры и режимы работы установки.
Результаты. Описана сверхвысокочастотная установка для термообработки непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме. Установка содержит в горизонтально расположенном цилиндрическом экранирующем корпусе шнек со сплошной винтовой поверхностью вдоль продольной оси из неферромагнитного материала и с фторопластовым валом. При этом диаметр витков и шаг между витками согласованы с длиной волны. Причем с одной торцевой стороны экранирующего корпуса установлен загрузочный патрубок, а с другой - выгрузной люк.
Обсуждение. На винтовой поверхности каждого витка шнека имеется направляющая пластина, а в конце шнека установлен перфорированный лоток. На наружную поверхность вдоль верхней части экранирующего корпуса установлены сверхвысокочастотные генераторные блоки так, что излучатели направлены внутрь резонаторов, образованных между винтовыми поверхностями шнека.
Заключение. В результате исследований разработан технологический процесс термообработки непищевых отходов убойных животных с использованием энергии электромагнитных излучений СВЧ-диапазона для линии производства белкового корма и предложено конструктивное исполнение основных узлов установки для его реализации. Решена задача энергетической эффективности технических средств, предназначенных для производства кормовых добавок из непищевых отходов убойных животных; предложена операционно-технологическая схема термообработки сырья с использованием эндогенного нагрева. Предложена методика согласования конструкционно-технологических параметров с режимами работы установки для термообработки непищевых отходов убойных животных многократным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты. Согласованы собственная добротность, объем резонаторной камеры и напряженность электрического поля сверхвысокой частоты.
Ключевые слова: винтовая поверхность шнека, загрузочный патрубок, непищевые отходы убоя животных, непрерывный режим работы, резонатор, сверхвысокочастотные генераторы, цилиндрический экранирующий корпус.
Для цитирования: Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Кириллов Н. К. Разработка и обоснование параметров установки для диэлектрического нагрева непищевых отходов животного происхождения в непрерывном режиме // Вестник НГИЭИ. 2017. № 2 (69). С. 61-71.
DEVELOPMENT AND VALIDATION OF THE INSTALLATION PARAMETERS FOR DIELECTRIC HEATING OF NON-FOOD WASTE OF ANIMAL ORIGIN IN CONTINUOUS MODE
© 2017
Zhdankin Georgy Valerievich, candidate of economic Sciences, Professor, first Deputy rector,
Vice-rector for educational-methodical work Nizhny Novgorod state agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia) Novikova Galina Vladimirovna, doctor of technical Sciences, Professor Mikhaylova Olga Valentinovna, doctor of technical Sciences, Professor Volga branch of FSBEI «Moscow state automobile and road technical University (MADI)», Cheboksary (Russia),
Kirillov Nikolay Kirillovich, doctor of Sciences, Professor FSBEI «Chuvash state agricultural Academy», Cheboksary (Russia)
Annotation
Introduction. Improvement of microwave technology and microwave installations for cooking, inedible slaughter waste in a continuous mode for production lines of protein feed additives, is an urgent task. The aim of this work is the development and substantiation of parameters of microwave installation for the heat treatment of non-edible animal waste in a continuous mode for improving the quality of fodder product with the lowest operating cost. Object of research - technological processes of repeated exposure to the electromagnetic field of ultrahigh frequency in the multi-component raw materials in a continuous mode. The subject of research is the identification of patterns of a continuous process of dielectric heating of multicomponent raw materials to determine efficient operating mode of the microwave installations.
Materials and methods. On the basis of research results obtained using classical mathematical, physical, statistical methods justified structural-technological parameters and modes of operation.
Results. Described the microwave installation for the heat treatment of non-food raw materials of animal origin in the continuous mode. The installation contains in a horizontal cylindrical shielding body, an auger with continuous helical surface along the longitudinal axis of the non-ferromagnetic material and with a PTFE shaft. The diameter of coils, pitch between windings matched to the length of the wave. And with one end face of the shielding case is mounted a loading tube, and on the other the unloading hatch.
Dscussion. On the helical surface of each auger has a spiral guide plate, and at the end of the screw is mounted a perforated tray. On the outer surface, along the top of the shielding housing is installed microwave generator units so that the emitters are directed into the cavities formed between the helical surfaces of the auger.
Conclusion. As a result of research developed the technological process of heat treatment waste non-food animals for slaughter using the energy of electromagnetic radiation within the microwave frequency range for line production of protein feed, and the proposed design of main components for its implementation.Solved the problem of energy efficiency of technical means intended for the production of feed additives from non-food waste slaughter animals; suggested operational flow diagram of heat treatment of raw materials with endogenous heat. The technique of matching structural-technological parameters with the modes of the unit for thermal treatment of waste non-food animals for slaughter repeated exposure to electromagnetic fields of ultrahigh frequency. Agreed own merit, the volume of the resonator chamber and the electric field of ultrahigh frequency.
Keywords: ultra high frequency generators, helical surface of the screw, resonator, inedible waste of slaughter animals, continuous operation, the cylindrical shielding enclosure, a loading tube.
Введение
В цехах по переработке продукции животноводства осуществляют убой животных и птиц и производят из продуктов убоя пищевую и кормовую продукцию. Непищевое сырье имеет сложную
структуру по строению и составу. Известно, что основными требованиями, предъявляемыми к технологиям и техническому оснащению мясных цехов, являются комплексность и безотходность. Оборудование цехов предназначено для осуществления тех-
нологических процессов, и в зависимости от требований в нем используются механические, тепловые и электрофизические процессы. Рабочий орган соприкасается с сырьем и выполняет заданную операцию, в том числе термообработку сырья в непрерывном режиме. Для интенсификации технологического процесса варки сырья при его перемещении рабочая камера снабжена механическими приспособлениями [10; 12]. В связи с этим разработанная установка для термообработки непищевых отходов убоя животных имеет оригинальное инженерное решение и представляет интерес для сравнительного анализа с другими схемными решениями. Разработка процессов и технических процессов на базе фундаментальных исследований электрофизических параметров сырья и их трансформации в процессе воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, допустимых режимов энергетических воздействий, актуальна.
Научная проблема - совершенствование микроволновой технологии и сверхвысокочастотных установок для варки непищевого сырья в непрерывном режиме для технологической линии производства белковой кормовой добавки.
Цель работы - разработка и обоснование параметров сверхвысокочастотной установки для термообработки непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме, обеспечивающих повышения качества кормового продукта с наименьшими эксплуатационными затратами.
Объект исследований. Технологические процессы многократного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на многокомпонентное сырье в непрерывном режиме.
Предметом исследований является выявление закономерностей непрерывного технологического процесса диэлектрического нагрева многокомпонентного сырья для определения эффективного режима функционирования сверхвысокочастотных установок.
Степень разработанности темы. Исследованию современных типов сверхвысокочастотных установок и процессов термообработки сельскохозяйственного сырья посвящены работы авторов: Атабекова Г. И., Бессонова Л. А., Бородина И. Ф., Вендин С. В., Гинзбурга А. С., Лыкова А. В., Лурье М. Ю., Нетушила А. В., Неймана М. С., Пчельникова Ю. Н., Стребкова Д. С., Филонен-ко Г. К., Кисунько Г. В. и др., которые дали ценные рекомендации по улучшению их технологических параметров и режимов работы.
Материалы и методы
На основе системного подхода к комплексу теоретических и экспериментальных результатов исследований, полученных при помощи классиче-
ских математических, физических, статистических методов, обоснованы конструкционно-технологические параметры и режимы работы установки.
Результаты
Разработанная установка относится к техническим средствам для переработки непищевых отходов убоя животных и переработки продукции животноводства. В частности, можно использовать при производстве животных кормов из отходов переработки продукции птицеводства и животноводства. В производстве животных кормов сырье подразделяют на нежиросодержащее (в сырье не более 16 % жира) и жиросодержащее (жира более 16 %). Разработанная установка предназначена для термообработки измельченного нежиросодержащего сырья (сухожилия, кровь, кишечник, легкие, почки, селезенка, половые органы, кутикула мышечных желудков и др.). Вареные белковые корма вырабатывают в тех случаях, когда нет условия для производства сухих кормов. Для этого измельченное сырье варят в вакуумных котлах разной марки [16]. Котлы имеют принципиально сходную конструкцию: это горизонтальная цилиндрическая обечайка с паровой рубашкой. При этом расход пара на варку составляет 125.. .300 кг/ч в зависимости от сырья.
Известен шнековый охладитель субпродуктов тип SP - 0,3/0,4/0,6/0,8, предназначенный для охлаждения: сердец, печени, шеи, желудков и лап и др. (рисунок 1) [16; 17]. В резервуаре, наполненном водой, сырье перемещается по всей длине охладителя с помощью шнека большого диаметра. В конце охладителя происходит выбрасывание субпродуктов в специальный контейнер. В разрабатываемой конструкции непрерывность технологического процесса обеспечивается с помощью винтовых поверхностей шнека по аналогии охладителей субпродуктов.
Рисунок 1 - Шнековый охладитель субпродуктов [20]
Нами предлагается совмещать процессы транспортирования измельченного сырья с помощью шнека, варки и стерилизации за счет микроволновой технологии в установке, разрабатываемой на базе шнекового охладителя с применением сверхвысокочастотного генератора [8; 13; 14].
Рисунок 2 - Пространственное изображение сверхвысокочастотной установки для термообработки непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме: а) установка с открытой крышкой экранирующего корпуса; б) общий вид установки; в) винтовые поверхности шнека; г) верхняя часть экранирующего корпуса; 1 - монтажная стойка; 2 - нижняя часть экранирующего корпуса; 3 - шнек; 4 - направляющие пластины; 5 - электропривод; 6 - верхняя часть экранирующего корпуса; 7 - загрузочный патрубок; 8 - сверхвысокочастотный генератор с излучателем; 9 - люк для выгрузки готовой продукции; 10 - перфорированный латок, обеспечивающий выгрузку продукта
Известно, что наиболее эффективный способ интенсификации термообработки сырья - это диэлектрический нагрев измельченного непищевого сырья [1; 2; 3]. При измельчении сырья увеличивается поверхность теплообмена и согласуется с глубиной проникновения электромагнитного поля сверхвысокой частоты. Это обеспечивает равномерность нагрева измельченного непищевого сырья. Сверхвысокочастотная установка для термообработки непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме (рисунок 2) установлена на монтажную стойку 1. Цилиндрический экранирующий корпус 2, 6 выполнен из двух половинок. Верхняя часть корпуса (крышка) открывается за счет шарнирных петель. Внутри нижней части экранирующего корпуса 2 расположен шнек 3. На винтовых поверхностях шнека имеются направляющие 4.
Вращение шнека 3 осуществляется с помощью электропривода 5. Верхняя часть экранирующего корпуса 6 открывается за счет шарнирных петель. На верхней части экранирующего корпуса 6 расположены загрузочный патрубок 7 и сверхвысокочастотные генераторы 8. Излучатели направлены внутрь экранирующего корпуса 2, 6. Загрузочный патрубок 7 установлен с одной торцевой стороны цилиндрического экранирующего корпуса 2, а с другого торца - выгрузной люк 9. Перфорирован-
ный лоток 10 расположен на шнеке 3 со стороны выгрузного люка 9.
Технологический процесс термообработки непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме происходит следующим образом.
Подать напряжение на электродвигатель 5, установленный на монтажную стойку 1. Включить электропривод шнека 3. Далее включить электропривод измельчителя, находящегося в технологической линии переработки непищевого сырья. Измельчитель подает измельченное непищевое сырье в экранирующий корпус 2, 6 через загрузочный патрубок 7. Масса сырья в каждом межвитковом пространстве (в резонаторе) 0,5...1,0 кг. Мощность электродвигателя 5 зависит от размеров шнека 3 и производительности установки. По мере частичного заполнения резонаторов (межвиткового пространства шнека) измельченным сырьем, последовательно включить сверхвысокочастотные генераторы 8. При этом измельченное сырье подвергается воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты и эндогенно нагревается. Обрабатываемое сырье является жидко-вязким материалом, резкий нагрев ее внутренних слоев приводит к превращению внутренней влаги в пар, который, расширяясь, образует пузырьки. Винтовые поверхности шнека являются стенками резонаторных камер. По мере перемещения витками шнека 3, 4 сырье нагревается, варится и обеззараживается.
Загрузка непищевых отходов убоя животных в измельчитель
Пуск электропривода шнека с оптимальной скоростью
Дозированная подача измельченных непищевых отходов убоя животных в шнековую камеру (резонатор) через загрузочный патрубок
Включение СВЧ генераторов на определенные мощности в зависимости от состава многокомпонентного сырья и его влажности
-1-
Многократное воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сырье, находящегося в межвитковом пространстве шнека (в резонаторах) в процессе движения сырья до
конца шнека
Зачерпывание вареного и обеззараженного вязкого продукта с помощью перфорированного лотка и выгрузка его через выгрузной люк
Транспортирование продукта к фасовочной машине
Контроль регулируемых параметров: частоты вращения шнека, продолжительности воздействия, мощности генераторов, энергозатрат, температуры и влажности сырья и продукта
Транспортирование продукта для реализации в животноводческих хозяйствах
Рисунок 3 - Операционно-технологическая схема термообработки непищевых отходов животного происхождения с помощью СВЧ-установки непрерывного действия
В конце шнека 3 продукт зачерпывается с помощью перфорированного лотка 10 и выгружается через выгрузной люк 9. Сваренный продукт является белковым кормом для животных. Конечный продукт обладает высокими органолептическими и микробиологическими показателями, поэтому увеличивается срок годности продукта. Установка работает в непрерывном режиме, размеры выгрузного люка и приемного патрубка согласованы с длиной волны. Размеры установки и количество сверхвысокочастотных генераторных блоков 8 зависят от необходимой производительности технологической линии. Режимы термообработки непищевого сырья зависят от вида и состава сырья: мякотное или твердое непищевое сырье, от содержания жира в процентах к объему сырья, от электрофизических параметров сырья и т. д. Разработана операционно-технологическая схема варки и обеззараживания непищевых отходов животного происхождения в СВЧ-установке с резонаторами, представленными между винтовыми поверхностями шнека (рисунок 3).
Обсуждение
Согласование напряженности электрического поля, добротности и объема резонатора можно определить по формуле 1 [5; 11; 19]:
Е = QP : 0,27 1 03 еоГ /, В/м, (1)
где V - объем (межвиткового пространства) резонатора, м3 (3.5 л); Р - мощность источника СВЧ-излучения, Вт; f - частота электромагнитного поля, Гц; Q - собственная добротность резонатора (6000).
Напряженность электрического поля составит:
Е = 6000^800 : 0,27-103 8,85-10"12-(3...5)-2450-106 = = (1,64.2,73) - кВ/см. (2)
Зависимость напряженности электрического поля в резонаторе с добротностью 6000 от объема резонатора приведена на рисунке 4. Это зависимость описывается выражением:
Е = 7,475V-0'933 кВ/см. (3).
Напряженность электрического поля, кВ/см
3 2,5 2 1,5 1
0,5
0
у = 7,475х-0,933
2 4 6 8 10
Объем резонатора, л
Рисунок 4 - Зависимость напряженности электрического поля от объема резонатора при добротности 6000
Исследования динамики нагрева непищевых отходов животного происхождения в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. Количество теплоты, выделяемое в единице объема сырья, зависит от частоты и напряженности электрического поля, от диэлектрических и физико-механических свойств сырья. Скорость диэлектрического нагрева
1
сырья описывается известным выражением Нетушил А. В.:
АТ _ 5,55 4 0"" • / е(Т)• )• Е2 -у- (4)
а7" ~кгуС(Т) '
где АТ - приращение температуры в сырье, оС; Ат -продолжительность воздействия, с; / - частота электромагнитного поля, Гц; е(Т) - изменение диэлектрической проницаемости многокомпонентного сырья в процессе диэлектрического нагрева; tgS(Т) -изменение тангенса угла диэлектрических потерь многокомпонентного сырья в зависимости от температуры нагрева; Е - напряженность электрического поля, В/м; п - термический КПД, (п = 0,65); р(т) - изменение плотности сырья в процессе воздействия, кг/м3; С(Т) - изменение удельной теплоемкости сырья в зависимости от температуры, Дж/кг-°С.
Взаимодействие сырья с электромагнитным полем сверхвысокой частоты характеризуют электрофизические свойства, которые зависят не только от его структуры, но и от частоты, температуры, влажности и т. п. Все эти зависимости проанализированы ниже. Следует иметь в виду, что с ростом частоты, величина диэлектрической проницаемости может только убывать, а наиболее резкий спад ее наблюдается при резонансных частотах, т. е. когда период колебания внешнего электрического поля совпадает со временем установления поляризации, которая носит релаксационный характер. При резонансных частотах величина тангенса угла диэлектрических потерь имеет характерный максимум [14; 15; 19].
Фазовые превращения, происходящие при высоких температурах, приводят к резкому измене-
нию параметров сырья. В многокомпонентном сырье поглощаемая электрическая энергия распределяется неравномерно между различными компонентами, и сырье нагревается неравномерно. Значения средних параметров могут существенно отличаться от значения параметра каждой из составляющих. Для характеристики диэлектрических свойств сырья используют следующие показатели: диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, коэффициент потерь, электропроводность [18; 21].
Анализируем зависимость диэлектрических характеристик непищевых отходов убоя животных от температуры нагрева (рисунок 5-10) [4; 6; 7].
Уменьшение значения диэлектрической проницаемости с повышением температуры объясняется с уменьшением фактора потерь для воды, а также с изменением форм связи влаги в ткани, в результате денатурации белков. В интервале температур от 20 до 45 °С значения фактора потерь возрастает в результате перераспределения влаги, которая начинает выделяться при денатурации белков и заполняет полости между частицами сырья. Это приводит к увеличению удельной проводимости, следовательно, к увеличению значения фактора потерь.
При дальнейшем повышении температуры происходит потеря жидкости, и фактор потерь снижается. Непищевые отходы убоя животных и птиц неодинаковы по влажности и жирности ткани. Разнообразие форм связи влаги в сырье и их неоднородность обуславливают нелинейную зависимость диэлектрических характеристик от температуры и влажности сырья.
Диэлектрические параметры
100 э 46,3
10
0,1
57,1
67,7
23,4
0,51
33,7
0,59
41
0,65
60
68,2 у = 47,395х0,2633
,1
0,67
80
у = 24,083х0,4501
— 0,68
у = 0,5161х0,1859 100
Температура, град.
20 40
♦ фактор потерь
■ диэлектрическая проницаемость А тангенс угла диэлектрических потерь
-Степенная (фактор потерь)
-Степенная (диэлектрическая проницаемость)
-Степенная (тангенс угла диэлектрических потерь)
Рисунок 5 - Диэлектрические характеристики непищевых отходов убоя животных (говяжий печень, почки) в зависимости от температуры при частоте 2 450 МГц и влажности 67-69 %
1
100 48
10
17,9
46,6
18,7
44,8
43
42,3
40,4
21
20,5
20
19,3
у = 50,242х-0,132 8,3
— 35,4
— 17,2
18,4
у
у = 19,1х-6Е-04 = 0,3777х0,1376
0,1
—
0,37 25
0,4
35
0,47 45
0,48 55
0,473 65
0,48 75
— 0,49
0,48
♦диэлектрическая проницаемость
85 95
Температура, град. фактор потерь А тангенс угла диэлектрических потерь
Рисунок 6 - Диэлектрические характеристики непищевых отходов убоя животных (мышечная ткань говядины) в зависимости от температуры при частоте 2 450 МГц
Диэлектрические параметры
10
2,49
2,53 —♦-
2,54 —
у = 2,4827х0,0298
- 2,61
0,127
0,1
0,01
0,051 25
0,138
0,0545 50
0,148
у = 0,1265х0,1404
- 0,154
-
0,0583 0,059
у = 0,0509х0,1108
75 100
Температура, град.
диэлектричекая проницаемость
фактор потерь А тангенс угла диэлектрических потерь
1
1
Рисунок 7 - Диэлектрические характеристики непищевых отходов убоя животных (жировая ткань свинины) в зависимости от температуры при частоте 2 450 МГц
Диэлектрические параметры
100
10
1
75,2 73,8
71,5
69
65,7
62,5
61
51,5
4,09 3 99 :
3,99 3 09
47
2,44
0,1
0,01
у = 29,325х-0,964 у = 0,3546х-0,764
0,22
15
0,17
0,14
0,12
0,1
0,08
0,05
0,07
0,06
25
35
45
55
65
♦диэлектрическая проницаемость
75 85 95
Температура, град. фактор потерь А тангенс угла диэлектрических потерь
Рисунок 8- Диэлектрические характеристики непищевых отходов убоя животных (кровь) в зависимости от температуры при частоте 2 450 МГц
5
100
10
49,2
17,3
46,5
16,9
42,5
39,1
16,6
14,7
36
у = 51,982х-0,228
- 32,1
- 10,6
у = 19,161х-0,258 у = 0,3665х-0,027
0,1
0,35 2
0,36
6
0,39 10
0,38 14
0,33 18
0,33 22
Жирность, %
♦диэлектрическая проницаемость ■ фактор потерь А тангенс угла диэлектрических потерь Рисунок 9 - Диэлектрические характеристики непищевых отходов убоя животных (мышечная ткань говядины) в зависимости от жирности при частоте 2 450 МГц
Диэлектрические параметры
100
10
0,1
42,3 ♦
14,6
0,35
925
44,5 —
15
0,34
945
46,7
15,4
48,9
15,8
0,33 -
0,32 -
962
985
50 у = 41,526х0,1222 - 53,3
16,1
0,32
16,5
у = 14,45х0
0,0671
0,31
у = 0,3527х-0,066 994 1020
Плотность, кг/куб. м
♦ диэлектрическая проницаемость ■ фактор потерь А тангенс угла диэлектрических потерь
Рисунок 10- Диэлектрические характеристики непищевых отходов убоя животных (мышечная ткань говядины) в зависимости от плотности при частоте 2 450 МГц
Диэлектрические характеристики непищевых отходов убоя животных в зависимости от температуры при частоте 2 450 МГц приведены на рисунках 5.9. Изменения фактора потерь (к = £^ё), теплоемкости С(Т), плотности р(Т) сырья в зависимости от температуры нагрева определяются по нижеприведенным эмпирическим формулам:
- печень: К = 24,1-Т0'45;
1 п 1 т-^0,0006
- мышечная ткань: К = 19,1Т ;
- жировая ткань: К = 0,13^Т°'14;
- непищевые отходы: К = 29,325-Т"1;
- теплоемкость непищевых отходов:
С = 3806-Т- , Дж/кг-°С; плотность: р = 1213,8 -Т"0,021, кг/м3.
(5)
С учетом изменения диэлектрических и физико-механических параметров сырья в процессе нагрева в электромагнитном поле сверхвысокой частоты определяем уравнение динамики нагрева непищевых отходов убоя животных (кровь) [8; 13]. Для этого решим дифференциальное уравнение (4):
АТ_ 5,55-10'" • /-(29,33-Т"')• Е2-у- _
0,1
Аг
0,021
1213,8 - Т - 3806-Т
_ 5,55-10"" -2450-106 -Е2 -0,65-(29,33-Т"') _ (6)
1213,8 - Т ">'°21 - 3806-Т4)1
= 0,056-10"5 -Е2 -Т~088. АТ = 0,056-10"5 -Е2 -Т~0'88.
Аг
АТ = 0,056 -10"5 - Е2 -Аг,
"0,88
Т
^- = !0,056-10"5 -Е2 -Ыг,
|То,88 - = 0,056-10"5 - Е2[Ыг,
Г 0'88 , ,
I Т -ЫТ = 0,056-10"5 -Е2-г + С,
(7)
(8)
Т
1,88 - — = 0,056 -10"5 - Е2 - г + С,
1,88
ТМ8 = 0,105-10 -Е2-г + С. (9) При т = 0, Т = 15оС, тогда С = 151,88 = 162,58. Т188 = 0,105-10"5 - Е2 - г +162,58. (10)
1
1
Математическая модель динамики диэлектрического нагрева непищевых отходов животного происхождения:
Т188 = 0,105 • 10~5 • Е2 • т +162,58. (11)
Графики зависимости, полученные на основании данного уравнения (11), приведены на рисун-
ке 11.
Температура, град
Продолжительность, с
Рисунок 11 - Динамика нагрева непищевых отходов убоя животных при напряженностях электрического поля: 1-3 кВ/м; 2-4 кВ/м; 3-5 кВ/м
Получены эмпирические выражения, характеризующие динамику нагрева непищевых отходов убоя животных при разных напряженностях электрического поля: Т =6,72 т0'5,Т =5,76 г0'49, Т=5,12 г0'47.
Теоретические значения динамики диэлектрического нагрева непищевых отходов с 95 % доверительной вероятностью совпадают с экспериментальными значениями. Экспериментальные исследования динамики нагрева непищевых отходов убоя животных показывают, что при напряженности электрического поля сверхвысоких частот 5 кВ/м сырье нагревается до 100-105 °С за 4 мин.
Таблица 1 - Технические характеристики СВЧ-становки
Наименование Сумма
Производительность, кг/ч 30-36
Мощность СВЧ-генераторов, кВт 3,6
Мощность привода шнека, кВт 2,4
Мощность СВЧ-установки, кВт 6,0
Удельные энергетические затраты, кВтч/кг 0,166
Габаритные размеры, м 2,5x1,0x1,5
Заключение
В результате исследований разработан технологический процесс термообработки непищевых отходов убойных животных с использованием энергии электромагнитных излучений СВЧ-диапазона для линии производства белкового корма и предложено
конструктивное исполнение основных узлов установки для его реализации. Решена задача энергетической эффективности технических средств, предназначенных для производства кормовых добавок из непищевых отходов убойных животных; предложена операционно-технологическая схема термообработки сырья с использованием эндогенного нагрева.
Предложена методика согласования конструкционно-технологических параметров с режимами работы установки для термообработки непищевых отходов убойных животных многократным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты. Согласованы собственнаядобротность, объем резонаторной камеры и напряженность электрического поля сверхвысокой частоты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белова М. В., Зиганшин Б. Г. Повышение эффективности функционирования многомодульных агрегатов для агроинженерных технологий// Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2013. № 3 (29). С. 49-52.
2. Белова М. В., Зиганшин Б. Г., Уездный Н. Т. Установка для термообработки крови с.-х. животных // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2013. № 3 (29). С. 53-56.
3. Белова М. В., Уездный Н. Т. Использование СВЧ-техники для термообработки крови убойных животных // Известия Оренбургского ГАУ. 2014. № 1 (45). С. 56-58.
4. Ершова И. Г., Сорокина М. Г., Белова М. В., Новикова Г. В. Установка для переработки жиросо-держащего сырья с СВЧ-энергоподводом // Известия Оренбургского ГАУ. 2014. № 1 (45). С. 54-56.
5. Белова М. В., Зиганшин Б. Г., Новикова Г. В. Методика обоснования параметров установки для термообработки сырья убойных животных // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2014. № 2. С. 58-62.
6. Новикова Г. В., Селиванов И. М., Белова М. В., Ершова И. Г., Оспанов А. Б. Установка для вытопки жира // Естественные и технические науки. 2015. № 6. С. 485-487.
7. Белова М. В. Конструктивные особенности резонаторов сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья в поточном режиме // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2015. № 4 (38). С. 31-37.
8. Зиганшин Б. Г., Белова М. В., Уездный Н. Т. Термообработка крови убойных животных // Естественные и технические науки. 2015. № 1. С. 125127.
9. Белова М. В., Зиганшин Б. Г., Федорова А. Н., Поручиков Д. В. Объемные резонаторы СВЧ-генератора для термообработки сырья в по-
точном режиме // Естественные и технические науки. 2015.№ 1. С. 121-123.
10. Белова М. В., Селиванов И. М., Махотки-на Н. И. Блок-схема модернизации СВЧ-установки для термообработки сырья // Естественные и технические науки. 2015.№ 2. С. 127-128.
11. Зиганшин Б. Г., Белова М. В., Новикова Г. В., Матвеева А. Н., Петрова О. И. Электродинамический анализ резонаторов, используемых в сверхвысокочастотных установках // Естественные и технические науки. 2015. № 6. С. 477-480.
12. Селиванов И. М., Белова М. В., Белов А. А., Умбетов У. У. Резонаторы, обеспечивающие термообработку сырья в поточном режиме // Естественные и технические науки. 2015. № 6. С. 499-502.
13. Самоделкин А. Г., Новикова Г. В., Белова М. В., Ершова И. Г., Белов А. А. Многорезона-торная установка для плавления жира // Естественные и технические науки. 2015. № 6. С. 492-494.
14. Белов А. А. Исследование мощности потока излучений около сверхвысокочастотных установок // Естественные и технические науки. 2016. № 5. С. 92-94.
15. Жданкин Г. В., Сторчевой В. Ф. Разработка сверхвысокочастотной установки для термообработки непищевых отходов убоя и переработки птицы // Научная жизнь. 2016. № 9. С. 24-26.
16. Белов А. А., Жданкин Г. В., Сторче-вой В. Ф. Разработка радиоволновых установок для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2016. № 10 (65). С. 16-24.
17. Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Ч. 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. М. : Колос. 2001. 330 с.
18. Ершова И. Г., Сорокина М. Г., Белова М. В., Новикова Г. В. Патент № 2541694 РФ, МПК С11В1/12. Установка для термообработки жиросо-держащего сырья / Заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). № 2013145358; заявл. 09.10.2013. Бюл. № 5 от 20.02.2015. 6 с.
19. Пчельников Ю. Н., Свиридов В. Т. Электроника сверхвысоких частот. М. : Радио и связь. 1981. 96 с.
20. Официальный сайт компании «Шляхет Сталь» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://szlachetstal.com/65.html
21. Седова Н. В. Государственное регулирование энергетической безопасности (региональный аспект) // Вестник Томского государственного университета. Экономика. 2015. № 3 (31). С. 155-164.
REFERENCES
1. Belova M. V., Ziganshin B. G. Povyshenie jef-fektivnosti funkcionirovanija mnogomodul'nyh agrega-
tov dlja agroinzhenernyh tehnologij (Increase of efficiency of functioning of multi-module units for agroin-zhener technologies), Vestnik Kazanskogo gosudar-stvennogo agrarnogo universiteta, 2013, No. 3 (29), pp.49-52.
2. Belova M. V., Ziganshin B. G., Uezdnyj N. T. Ustanovka dlja termoobrabotki krovi s.-h. zhivotnyh (Installation for the heat treatment of blood of agricultural animals), Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2013, No. 3 (29), pp. 53-56.
3. Belova M. V., Uezdnyj N. T. Ispol'zovanie SVCh-tehniki dlja termoobrabotki krovi ubojnyh zhivotnyh (Unit for processing fat-containing raw materials with microwave energy supply), Izvestija Oren-burgskogo GAU, 2014, No. 1 (45), pp. 56-58.
4. Ershova I. G., Sorokina M. G., Belova M. V., Novikova G. V. Ustanovka dlja pererabotki zhiro-soderzhashhego syr'ja s SVCh jenergopodvodom (Methodology of the study parameters of the installation for heat treatment of raw materials animals for slaughter), Izvestija Orenburgskogo GAU, 2014, No. 1 (45). pp. 5456.
5. Belova M. V., Ziganshin B. G., Novikova G. V. Metodika obosnovanija parametrov ustanovki dlja termoobrabotki syr'ja ubojnyh zhivotnyh (Technique of justification of parameters of the unit for heat treatment of raw materials of lethal animals), Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2014, No. 2, pp. 58-62.
6. Novikova G. V., Selivanov I. M., Belova M. V., Ershova I. G., Ospanov A. B. Ustanovka dlja vytopki zhira (Rendering apparatus), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp. 485-487.
7. Belova M. V. Konstruktivnye osobennosti re-zonatorov sverhvysokochastotnyh ustanovok dlja termoobrabotki syr'ja v potochnom rezhime (Design features of resonators of superhigh-frequency installations for heat treatment of raw materials in the line mode), Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2015, No. 4 (38), pp. 31-37.
8. Ziganshin B. G., Belova M. V., Uezdnyj N. T. Termoobrabotka krovi ubojnyh zhivotnyh (Heat treatment of blood of slaughtered animals), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 1, pp. 125-127.
9. Belova M. V., Ziganshin B. G., Fedoro-va A. N., Poruchikov D. V. Ob"emnye rezonatory SVCh-generatora dlja termoobrabotki syr'ja v potochnom rezhime (Volumetric cavity of the microwave generator for heat treatment of raw materials in-line), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 1, pp. 121-123.
10. Belova M. V., Selivanov I. M., Mahotki-na N. I. Blok-shema modernizacii SVCh-ustanovki dlja termoobrabotki syr'ja (The Block diagram of microwave modernization of the installation for heat treat-
ment of raw materials), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 2, pp. 127-128.
11. Ziganshin B. G., Belova M. V., Noviko-va G. V., Matveeva A. N., Petrova O. I. Jelektro-dinamicheskij analiz rezonatorov, ispol'zuemyh v sverhvysokochastotnyh ustanovkah (Electrodynamic analysis of the resonator used in the microwave set novco), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp.477-480.
12. Selivanov I. M., Belova M. V., Belov A. A., Umbetov U. U. Rezonatory, obespechivajushhie termoobrabotku syr'ja v potochnom rezhime (Resonators, providing heat treatment of raw materials in-line), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp. 499502.
13. Samodelkin A. G., Novikova G. V., Belo-va M. V., Ershova I. G., Belov A. A. Mnogorezonator-naja ustanovka dlja plavlenija zhira (Multiple-cavity setup for melting fat), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp. 492-494.
14. Belov A. A. Issledovanie moshhnosti potoka izluchenij okolo sverhvysokochastotnyh ustanovok (The Study of power flow microwave radiation around plant), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2016, No. 5, pp. 92-94.
15. Zhdankin G. V., Storchevoj V. F. Razrabotka sverhvysokochastotnoj ustanovki dlja termoobrabotki nepishhevyh othodov uboja i pererabotki pticy (Development of microwave installation for thermal treatment of waste, inedible slaughter and poultry processing), Nauchnaja zhizn', 2016, No. 9, pp. 24-26.
16. Belov A. A., Zhdankin G. V., Storchevoj V. F. Razrabotka radiovolnovyh ustanovok dlja termoobrabotki syr'ja (Development of radio installations for heat treatment of raw materials), Vestnik NGIJel, 2016, No. 10 (65), pp. 16-24.
17. Ivashov V. I. Tehnologicheskoe oborudo-vanie predprijatij mjasnoj promyshlennosti (Technological equipment of enterprises of the meat industry), Ch. 1, Oborudovanie dlja uboja i pervichnoj obrabotki, M, Kolos, 2001, 330 p.
18. Ershova I. G., Sorokina M. G., Belova M. V., Novikova G. V. Patent № 2541694 RF, MPK S11V1/12. Ustanovka dlja termoobrabotki zhiro-soderzhashhego syr'ja / Zajavitel' i patentoobladatel' ChGSHA (RU). No. 2013145358; zajavl. 09.10.2013. Bjul. No. 5 ot 20.02.2015. 6 p.
19. Pchel'nikov Ju. N., Sviridov V. T. Jelektroni-ka sverhvysokih chastot (Electronics of ultrahigh frequencies), M, Radio i svjaz', 1981, 96 p.
20. Oficial'nyj sajt kompanii «Shljahet Stal'» (Official site of the Shlyakhet Stal company) [Jelektronnyj resurs], Rezhim dostupa: http://szlachetstal.com/65 .html
21. Sedova N. V. Gosudarstvennoe regulirovanie jenergeticheskoj bezopasnosti (regional'nyj aspekt) (State regulation of energy security (regional aspect)), Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Jekonomika, 2015, No. 3 (31), pp. 155-164.
Дата поступления статьи в редакцию 9.11.2016, принята к публикации 11.01.2017.
05.20.02
УДК 621.316.925.2
ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕЛЬСКИХ СЕТЕЙ 6-35 КВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ДВОЙНОЙ ЗАПИСИ
© 2017
Куликов Александр Леонидович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Вуколов Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород (Россия) Колесников Антон Александрович, инженер отдела РЗА и вторичной коммутации «Институт «Энергосетьпроект-НН-СЭЩ». ЗАО «ГК «Электрощит» - ТМСамара»,
Нижний Новгород (Россия)
Аннотация
Введение. Для повышения эффективности защит распределительных сельских сетей 6-35 кВ предлагается применение централизованных защит, основанных на дифференциальном принципе в сочетании с методом двойной записи. Двойная запись - способ регистрации хозяйственных операций бухгалтерского учета, при котором каждое изменение состояния средств фиксируется на двух счетах, обеспечивая общий баланс. С помощью организации избыточной обработки информации о токах, измеренных на концах защищаемых объектов и сформированных в специальные матрицы, реализуется надежное функционирование дифференциальной защиты, исключая ее излишние действия при повреждениях трансформаторов тока.
Материалы и методы. В качестве примера рассматривается участок сельской электрической сети 10 кВ, представленный в виде графа, дуги которого обозначают высоковольтные аппараты, а вершины -
