CC BY
36
12. Poezzhalov B. M., Nupirova A. M. Issledo-vanie effektivnosti svetodiodnogo osvesheniya dlya zakritogo grunta (Study of the effectiveness of led lighting for greenhouses), Science-agro-industrial production, Materials LIV international scientific and technical conference. Ed. P. G. Svechnikova. Ed. ChGAA (Chelyabinsk). 2015. pp. 50-56.
13. Tertychnaya Y. V., Levin N. S. Vliyanie spektral'nogo sostava sveta na razvitie sel'sko-hozyaistvennih kul'tur (Influence of spectral composition of light on crop development), Agricultural machines and technologies, No. 5. 2016. pp. 24-29.
14. Jakovceva M. N., Govorova G. F., Taraka-nov I. G. Fotomorphogeneticheskaya regulyaciya rosta, razvitiya I produkcionnogo processa rastenii zemlyaniki sadovoi (Fragaria ananassa l.) v usloviyah svetokul'turi (Fotomorfogeneticheskaja regulation of growth, development and production process plants garden strawberries (Fragaria ananassa l.) under svetokul'tury), Fa-mous-ticipation SUMMARY. No. 3. 2015. pp. 25-35.
15. Nechaeva E. H., Tsarevskaya B. M. Pers-pektivi ispol'zovaniya svetodiodnogo dosvechivaniya (Prospects of led dosvechivanija), Actual problems of Agrarian Science and the ways of their solution. 2016. pp.158-161.
16. Mishanov A. P., Markov A. E., Rakut'ko S. A., Brovcin V. M., Rakut'ko E. N. Vliyanie sootnosheniya
dolei zelenogo i krasnogo izlucheniya na biometriches-kie pokazateli salata (Effect of ratio of share of green and red radiation on biometrics salad), Technologies and technical means. No. 87. 2015. pp. 264-272.
17. Prokofiev A., Turkin A., Yakovlev A. Per-spektivi primeneniya svetodiodov v rastenievodstve (Perspectives of using LEDs in rastenievod as), Semiconductor lighting engineering. No. 5. 2010. pp. 60-63.
18. Stookes A., Poljakovskij B. Virashivanie so svetodiodami (Growing with LEDs), World of greenhouses. No. 4. 2015. pp. 32-33.
19. Tarakanov I. G. Nauka - ovoshevodam (Science - costumers), World of greenhouses. No. 6. 2015. pp.27-31.
20. Nictiporovict A. A. O metodah ucheta i izucheniya photosinteza, kak phaktora yroghainosti (Tcelousov of accounting policies and the study of photosynthesis, as a factor of productivity), Proceedings of the Institute of plant physiology of the USSR Academy of Sciences. T. 10. 1955, pp. 210-249.
21. Peterbyrgskii A. V. Praktikym po agro-nomicheskoi himii (Workshop on agronomic chemistry), Sel'hozizdat, M. 1963, 592 p.
Дата поступления статьи в редакцию 12.04.2017, принята к публикации 16.06.2017.
05.20.02 УДК 621.385
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ С ДВИЖУЩИМИСЯ ИСТОЧНИКАМИ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СЫРЬЯ
© 2017
Белов Александр Анатольевич, кандидат технических наук, доцент Волжский филиал ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический
университет (МАДИ)», г. Чебоксары (Россия) 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, профессор Волжский филиал ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический
университет (МАДИ)», г. Чебоксары (Россия) Белова Марьяна Валентиновна, доктор технических наук, соискатель ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ», г. Казань (Россия)
Аннотация
Введение. Разработана установка, обеспечивающая равномерность нагрева сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты в тороидальном резонаторе, обладающем максимальной собственной добротностью. Установка с движущимися источниками СВЧ-энергии для термообработки сырья содержит внутри экранирующего корпуса тороидальный резонатор, по внутреннему периметру которого имеется щель, куда направлены излучатели от сверхвысокочастотных генераторов, расположенных равномерно на круглой платформе по периферии, вращающейся с помощью мотора-редуктора.
Материалы и методы. Тороидальный резонатор собран из торов малого диаметра без поверхности внутреннего периметра посредством плотного монтажа на диэлектрический ободок, диаметром меньше чем четверть длины волны. Внутри ободка размещен диэлектрический тросошайбовый транспортер. Запредельные волноводы пристыкованы к диэлектрическому ободку через экранирующий корпус и торов малых диаметров. Тросошайбовый транспортер и платформа движутся в противоположные стороны. В процессе передвижения излучатели СВЧ-генераторов будут направлены внутрь каждого малого тора, где возникает электромагнитное поле сверхвысокой частоты, причем высокой напряженности электрического поля из-за малого объема тора. При этом движущееся за счет диэлектрического тросошайбового транспортера сырье в диэлектрическом ободке подвергается воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты.
Результаты и обсуждение. Исследования показывают, что амплитудные значения напряженности электрического поля концентрируются в наибольшей степени по месту расположения излучателя в резонаторных камерах СВЧ-установки и достигают до 2,33 кВ/см, а за пределами дифракционных резонаторов - 54,5 В/см. При этом добротность тороидального резонатора, равная 8 000, за счет дифракции снижается на 5.. .7 %.
Заключение. Результаты исследования распределения электрического поля сверхвысокой частоты в дифракционных цилиндрических и тороидальных резонаторах при движении зерна относительно источников излучения позволяют согласовать добротность и емкость резонатора с напряженностью электрического поля.
Ключевые слова: вращающаяся платформа, дифракционная тороидальная резонаторная камера, диэлектрический ободок, излучатели, картина распределения электрического поля в резонаторе, передвижные сверхвысокочастотные генераторы, сыпучее сырье, тросошайбовый транспортер, электромагнитное поле сверхвысокой частоты.
Для цитирования: Белов А. А., Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Белова М. В. Разработка и обоснование параметров установки с движущимися источниками сверхвысокочастотной энергии для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2017. № 7 (74). С. 44-54.
DEVELOPMENT AND VALIDATION OF THE INSTALLATION OPTIONS WITH MOVING SOURCES OF MICROWAVE ENERGY FOR HEAT TREATMENT OF RAW MATERIALS
© 2017
Belov Alexander Anatolievich, the candidate of technical sciences, the associate professor
The Volga branch of FSBEI «Moscow state automobile and road technical University (MADI)», Cheboksary (Russia) Zhdankin Georgiy Valerievich, the candidate of economic sciences, The associate professor, the first Deputy rector, the Vice-rector for educational-methodical work
FSBEI «Nizhny Novgorod state agricultural academy», Nizhny Novgorod (Russia) Novikova Galina Vladimirovna, the doctor of technical sciences, the professor, the professor of The Volga branch of FSBEI «Moscow state automobile and road technical University (MADI)», Cheboksary (Russia) Belova Mariana Valentinovna, the doctor of technical sciences, the applicant Of the FSBEI «Kazan state agrarian university», Kazan (Russia)
Abstract
Introduction. It is developed installation, ensuring uniformity of heating of raw materials in the electromagnetic field of ultrahigh frequency in the toroidal cavity to maximize their own good quality. Installation with moving sources, microwave energy for heat treatment of raw materials contains inside screen case of a thoroidal cavity, on the inner perimeter of which has a gap where directed Lena emitters from the microwave generators are uniformly located on a circular platform around the periphery, rotating by a motor-reducer.
Materials and methods. The toroidal resonator consists of the thors of small diameter without the surface of the inner perimeter by a dense dielectric mounting on the rim, with a diameter less than a quarter wavelength. Inside the rim is placed a dielectric treaty body conveyor. The beyond the waveguides connected to the dielectric rim using a shielding case and a torus of small diameter. Treaty body the conveyor and platform move in opposite directions. During the movement of the emitters of microwave generators will be directed into each of the small torus, where there is an electromagnetic field of ultrahigh frequency and high electric field intensity because of the small volume of the torus. While moving through the dielectric Treaty body the conveyor raw material in the dielectric rim is exposed to the electromagnetic field of ultrahigh frequency.
Results and discussion. Studies show that the peak value of the electric field are concentrated to the greatest extent at the location of the emitter in the resonator chamber of the microwave installation, and reaches to 2,33 kV/cm, the diffraction resonators - 54,5 In/cm the quality factor of the toroidal resonator is equal to 8 000 due to diffraction is reduced by 5...7 %.
Conclusion. It is done the results of the study of the distribution of the electric field of ultrahigh frequency diffraction of cylindrical and toroidal resonators when moving grain on the sources of the radiation that aligns the q-factor and capacitance of the resonator with the electric field intensity.
Keywords: diffraction toroidal resonator chamber, mobile ultra-high frequency generators, treaty body Transporter emitters, electromagnetic field of ultrahigh frequency, a rotating platform, the dielectric rim.
Введение
Для уничтожения патогенной микрофлоры сырья, повышения усвояемости питательных веществ, а заодно улучшить вкусовые качества кормов, традиционно используется пропаривание. В результате изменяется структура зерна с частичным гидролизом крахмала. Проведенный анализ материалов научных публикаций показывает, что наибольшее внимание в развитии исследований в области сверхвысокочастотного нагрева уделяется поиску принципиально новых решений для применения микроволновых технологий с целью замещения существующих технологий термообработки, а также для применения сверхвысокочастотной энергии в производстве новых видов продукции. В существующих публикациях рассматриваются большой спектр различных направлений развития и технологий, в частности энергетическая эффективность сверхвысокочастотных технологий, термообработка разного сельскохозяйственного сырья. Приведены теории взаимодействия диэлектриков с энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты и т. д. Отмечается, что применение микроволновых технологий позволяет значительно улучшить качественные показатели при термообработке многих видов сырья.
Многие авторы, такие как: А. Н. Афанасьев, И. Ф. Бородин, П. В. Брагинцев, А. Н. Васильев, С. В. Зверев, Ю. Р. Ильясов, В. Д. Каун, Е. В. Козин, Н. П. Мишуров, В. И. Пахомов, О. А. Морозов, А. М. Шувалов и др. изучали процесс термообработки зерна воздействием электромагнитных излучений спектров радиоволн и оптического диапазона. Причем процесс изучали в периодическом режиме, в замкнутом объеме резонатора, с мощными источниками излучений. Но для эффективного внедрения микроволновой технологии в сельскохозяйственное производство, следует разрабатывать сверхвысокочастотные установки для непрерывного режима работы при использовании маломощных магнетронов. При этом решение задач импортозамещения должно рассматриваться не
как создание аналогов конкретных СВЧ-установок, а как создание соответствующего технологического базиса, позволяющего проектировать и создавать СВЧ-установки для непрерывного режима работы для сельского хозяйства с требуемыми эксплуатационными характеристиками. При этом для снижения эксплуатационных затрат на технологический процесс следует сочетать термообработку с механическим разрушением фуражного зерна. Для реализации такой технологии разработаны установки с сверхвысокочастотным энергоподводом, выполняющие функцию термомеханического воздействия на фуражное сырье для повышения его кормовой ценности.
Материалы и методы
Исследование закономерностей технологических процессов выполнено на основе научной гипотезы о поведении электродинамических систем при обеспечении поточного режима термообработки сырья, реализованного в СВЧ-установках с тороидальным резонатором. В работе использован комплекс существующих базовых методов исследования, позволивших выявить новое конструктивное исполнение рабочих органов СВЧ-установки. Для экспериментальных исследований применялись сертифицированные электроизмерительные цифровые приборы и аппаратура, обеспечивающие достаточную точность результатов, стандартная методика оценки воспроизводимости эффективных режимов работы установок. При обосновании электротехнологических процессов и технических решений использована единая система взаимодействия основных узлов установки: источник СВЧ-излучения, объемный резонатор, запредельные волноводы, замедляющие и экранирующие элементы.
Картину распределения электромагнитного поля в тороидальном резонаторе исследовали, пользуясь методикой поиска собственных мод резонатора, заполненного зерном при помощи программного обеспечения CST Studio Suite 2015 и модуля Micro-waveStudio.
Результаты и обсуждение
Научную новизну представляют:
1. Технологии термомеханического воздействия на фуражное зерно для повышения кормовой ценности и новые конструкционно-технологические схемы СВЧ-установок для непрерывного режима работы.
2. Математические модели процесса функционирования сверхвысокочастотных установок для термомеханического воздействия на фуражное зерно в непрерывном режиме с рациональными конструкционно-технологическими параметрами новых рабочих органов.
3. Аналитические зависимости для обоснования параметров электродинамической системы сверхвысокочастотных установок, обеспечивающих снижение микробиологической обсемененности и активности уреазы соевых бобов.
4. Методология проектирования сверхвысокочастотных установок, базирующаяся на выведенных аналитических зависимостях и математических моделях динамики эндогенного нагрева зерна при изменении электрофизических параметров в процессе термомеханического разрушения.
5. Результаты исследования распределения электрического поля сверхвысокой частоты в дифракционных цилиндрических и тороидальных резонаторах при движении зерна относительно источников излучения, позволяющие согласовать добротность и емкость резонатора с напряженностью электрического поля.
6. Обоснованные конструкционно-технологические параметры и режимы работы СВЧ-установок с учетом: зависимостей деформации от разрушающего усилия, влажности, температуры; результатов исследований химического состава, микробиологических и органолептических показателей, активности уреазы соевых бобов.
7. Разработанные сверхвысокочастотные установки для повышения кормовой ценности фуражного зерна; результаты испытания установок в производственных условиях и технико-экономической оценки внедрения в фермерские хозяйства; новые технические решения основных рабочих органов сверхвысокочастотных установок.
Рабочая камера СВЧ-установки представляет электродинамическую систему (ЭС). Она должна обеспечивать необходимую мощность и структуру электромагнитного поля (ЭМП), выполнение необходимых температурных и влажностных режимов и иметь шлюзы, исключающие излучение ЭМП из электродинамической системы в окружающее пространство при загрузке и выгрузке продукта.
Существуют волноводные, резонаторные и лучевые электродинамические системы. В свою очередь, волноводные электродинамические системы могут содержать замедляющие системы, в которых длина волны ЭМП значительно меньше, чем длина волны в свободном пространстве. Согласно теореме Умова-Пойнтинга, в резонаторной камере ЭМП может существовать сколь угодно долго. Изолированный объем выступает в роли «накопителя» и «хранителя» электромагнитной энергии, но поле в таких структурах может существовать только на фиксированных частотах.
Лучевые электродинамические системы представляют собой излучающие СВЧ-волны системы в виде рупоров, энергия к которым подводится с помощью волноводов. Размеры рупоров выбирают такие, чтобы обеспечить необходимую диаграмму изменения энергии СВЧ-поля в пространстве и хорошее согласование излучателя с рабочей камерой. Для этих целей используют специальные линзы из фторопласта или керамики перед рупором. Лучевые электродинамические системы используют в установках для обработки крупных продуктов сложной формы.
Волноводные электродинамические системы используют в СВЧ-установках для нагрева, стерилизации, пастеризации жидких, сыпучих и твердых продуктов.
Резонаторные электродинамические системы создают ЭМП с большим набором типов колебаний, что позволяет получить сравнительно равномерное распределение по объему рабочей камеры электрической составляющей поля. Резонаторные электродинамические системы используют в микроволновых печах.
Известно, что основной проблемой, возникающей в резонаторной камере СВЧ-печей, является неравномерность нагревания сырья и несогласованность нагрузки магнетрона. Если в СВЧ-печах, имеющих структуру поля правильной сферической формы, деформировать структуру по форме и напряжению, можно повысить равномерность распределения энергии в камере. Для обеспечения равномерного проникновения энергии электромагнитного поля необходимо волны, идущие по разным направлениям, разделить во времени и направлению. Эту функцию в СВЧ-печи выполняют диссекторы, волноводы, вращающиеся диэлектрические платформы. Микроволновая печь содержит резона-торную камеру в форме параллелепипеда, в одной из боковых стенок которой выполнено прямоугольное отверстие для подключения возбудителя электромагнитного поля в полости резонаторной камеры, представляющего из себя укороченную пирами-
дальную рупорную антенну; микроволновый генератор, выход которого соединен с входом возбудителя, а также вращающуюся диэлектрическую платформу для размещения обрабатываемого продукта. Недостатком устройства является низкая эффективность, так как такой способ подключения возбудителя не обеспечивает полного ввода энергии в полость резонаторной камеры, а также то, что устройство периодического действия [7; 8].
Есть СВЧ-печи, в которой ввод энергии в рабочую камеру осуществляется через волновод (металлическая труба прямоугольного сечения). Недостатком конструкции является то, что при излучении магнетрона происходит отражение электромагнитного поля от предохранительного экрана. Повышения КПД и безопасности СВЧ-печи можно достичь за счет обеспечения минимального искажения в поле падающей волны и минимального отражения от радиопрозрачной перегородки.
Для установок, у которых рупорный возбудитель электромагнитного поля подключен к резона-торной камере через отверстие в боковой стенке, коэффициент равномерности распределения энергии, в зависимости от моделей СВЧ-печей, составляет 57...72,5 % (при вращении обрабатываемого продукта на диэлектрической платформе), а без вращения продукта — всего 36.39 %.
Для модели СВЧ-печи МСВ780W коэффициент равномерности распределения энергии при вращении продукта составляет 57 %, для М245 — 62 %, 1Е81651 - 72,5 %.
Работать на резонансной частоте, когда частота собственных колебаний диполей воды (16,67.17,65 ГГц, 1,7.1,8 см) совпадает с часто-
той внешнего электромагнитного поля, используя объемный резонатор, невозможно. Генераторы от микроволновых печей работают на длине волны 12,24 см, а вода обладает максимально возможным поглощением энергии электромагнитных излучений при длине волны 1,7.1,8 см [17; 18; 19; 20]. При этом поглощение энергии более чем в 10 раз превышает поглощение энергии на длине волны 12,24 см. Суммарная эффективность нагрева возрастает почти на два порядка. Но резонатор типа замкнутой металлической полости больших по сравнению с длиной волны размеров не может быть применен в силу высокой плотности его собственных колебаний, приводящих к потере резонансных свойств. На длине волны 1,7.1,8 см работают только открытые резонаторы. В связи с этим длина волны, конфигурация и размеры объемных резонаторов, диэлектрические параметры сырья закладываются в программу системы параметрического моделирования трехмерных структур и проводятся исследования напряженности электромагнитного поля, плотности тока, нагруженной добротности резонаторов.
С учетом вышеуказанных особенностей электродинамической системы нами разработано множество СВЧ-установок с применением магнетронов бытовых микроволновых печей, которые обеспечивают равномерный внутренний теплообмен в сырье в процессе поточной обработки. Известны сверхвысокочастотные установки с дифракционными тороидальными резонаторами, обеспечивающими непрерывный режим работы [4; 5; 6]. Некоторые разработанные дифракционные тороидальные резонаторы приведены на рисунке 1 .
Рисунок 1 - Разновидности разработанных тороидальных резонаторов
В предлагаемой нами конструкции равномерность нагрева достигается не только перемещением сырья, но и передвижением источников СВЧ-энергии (рис. 2). Установка состоит из экранирующего корпуса (не показан), тороидального резонатора 1, пустотелого диэлектрического ободка 2, диэлектрического
тросошайбового транспортера 3, платформы 4, сверхвысокочастотных генераторов 5, электропривода (мотор редуктор) платформы 6, запредельных волноводов 7, 8, электродвигателя тросошайбового транспортера 9, множества торов малого диаметра, установленных на диэлектрический пустотелый ободок 2.
Внутри экранирующего корпуса расположен тороидальный резонатор 1.Он собран из множества торов малого диаметра, надетых на диэлектрический пустотелый ободок 2. По всему внутреннему периметру тороидального резонатора 1 имеется щель, что позволит направить движущиеся излучатели от СВЧ-генераторов 5 в внутрь каждого тора малого диаметра. Причем поверхность по внутреннему периметру каждого тора малого диаметра отсутствует. Через это отверстие проложен диэлектрический ободок 2 диаметром меньше, чем четверть длины волны (3,08 см). При этом в торе малого диаметра генерируется электромагнитное поле сверхвысокой часто-
ты, тогда когда излучатель будет направлен в него. Эти торы выполняют функцию отдельных резонаторов. Внутри диэлектрического ободка размещен диэлектрический тросошайбовый транспортер 3, электропривод 9 которого вынесен за пределы экранирующего корпуса. СВЧ-генераторные блоки размещены на круглой платформе 4 по периферии, которая приводится в движение от мотора-редуктора 6 (показано условно). Запредельные волноводы 7, 8, предназначенные для загрузки сырья и выгрузки продукта, установлены на экранирующем корпусе и состыкованы через тороидальный резонатор 1 с диэлектрическим ободком 2.
Рисунок 2 -Установка с тороидальным резонатором и передвижными источниками СВЧ-энергии (без экранирующего корпуса): а) - схематическое изображение; б) - пространственное изображение: 1 - тороидальный резонатор; 2 - диэлектрический пустотелый ободок; 3 - диэлектрический тросошайбовый
транспортер; 4 - платформа для перемещения источников СВЧ-энергии; 5 - СВЧ-генераторы; 6 - мотор-редуктор для привода платформы (не показан); 7 - выгрузной патрубок; 8 - загрузочный патрубок; 9 - электродвигатель для привода тросошайбового транспортера
Технологический процесс термообработки и обеззараживания сырья в установке осуществляется следующим образом. Включают электропривод 9 диэлектрического тросошайбового транспортера 3, для дозированного транспортирования сырья внутри диэлектрического ободка 2, куда сырье попадает через загрузочный патрубок 8. Включают СВЧ-генераторы 5 на определённую мощность, после чего включают мотор-редуктор 6 для передвижения круглой платформы 4 с источниками СВЧ-энергии 5. Тросошайбовый транспортер 3 и платформа 4 движутся в противоположные стороны. В процессе передвижения излучатели СВЧ-генераторов будут направлены внутрь каждого малого тора, где возникает электромагнитное поле сверхвысокой частоты, причем высокой напряженности электрического
поля (более 2 кВ/см) из-за малого объема тора. При этом движущееся за счет диэлектрического тросо-шайбового транспортера сырье в диэлектрическом ободке подвергается воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты.
В процессе многократного воздействия электрического поля высокой напряженности через паузу сырье эндогенно нагревается и обеззараживается. Причем градиенты давления, температуры и влажности выравниваются по сечению продукта за счет паузы. Поэтому максимальное количество СВЧ-генераторов может быть в два раза меньше, чем количество малых торов. Это связано со скважностью технологического процесса (отношение продолжительности воздействия к продолжительности цикла, она должна быть меньше 0,5.). Цикл предусматри-
вает нагрев и паузу. Производительность установки зависит от количества и мощности СВЧ генераторов. Собственная добротность малых торов достаточно высокая, достигает 8.10 тыс. [10; 11; 12; 13].
Пользуясь методикой поиска собственных мод резонатора, заполненного воздухом или зерном при помощи программного обеспечения CST Studio Suite 2015 и модули MicrowaveStudio - системы параметрического моделирования трехмерных структур, проведены исследования напряженности электромагнитного поля, плотности тока, собственной добротности разработанных цилиндрических дифракционных, тороидальных и сферических резонаторов (рис. 3, 4, 5). Плотность тока СВЧ, распределяемая по объему тороидального резона-
тора необходима для исследования глубины проникновения СВЧ-полей в сырье. Для подборки собственной резонансной частоты, соответствующей в первом приближении частоте используемого генератора, проведено гексаэдральное сеточное разбиение для дискретизации расчетной области с применением АК5 вычислителя. Таким образом, наиболее близка по частоте мода 10. Распределение векторов напряженности электрического поля десятой моды в соответствии с графической визуализацией и текстовой информацией на рисунке 4 равномерно распределено по всей рабочей области. Амплитудные значения напряженности электрической напряженности концентрируются в наибольшей степени по центру установки излучателя в рабочей камере.
Рисунок 3 - Тороидальный резонатор в среде CST MicrowaveStudio
Рисунок 4 - Картина распределения плотности тока СВЧ в тороидальном резонаторе
Рисунок 5 - Картина распределения электрического поля в тороидальном резонаторе
Проведено моделирование картины распределения электрического поля сверхвысокой частоты в дифракционных цилиндрических, тороидальных и сферических резонаторах при движении зерновой массы в установке с источником СВЧ-энергии, расположенным стационарно или движущемся. Разработаны методы формирования равномерного распределения температуры в зерновой массе за счет передвижения резонаторных камер и многократного воздействия ЭМПСВЧ. Исследования показывают, что вектора напряженностей электрического поля собственных мод дифракционных резонаторов, равномерно распределены по всей рабочей области. Амплитудные значения напряженности электрического поля концентрируются в наибольшей степени по месту расположения излучателя в резонаторных камерах СВЧ-энтолейтора, и достигают до 1,582 кВ/см, а за пределами дифракционных резонаторов - 320 В/см.
Известно, что в цилиндрических резонаторах, возбуждаемых на моде колебаний ТМ 010, напряженность электрического поля в центре резонатора составляет [1; 2; 9]:
Е = Р^/цы; (1)
П = 0,27-ео-У, (2)
где Р - мощность источника СВЧ-излучения; Вт, 2 - добротность резонатора; ы - угловая частота СВЧ-излучения; 1/с; £о = 8,85-10"12 Ф/м; V - объем резонатора, м3.
По этой формуле согласовали добротность и емкость резонатора с напряженностью электрического поля при определенной мощности генератора, т. е выявили размеры резонатора и его добротность для достижения определенной величины напряженности электрического поля.
При совершенствовании технологического процесса термомеханического воздействия на фу-
ражное зерно и электродинамической системы СВЧ-установок с обоснованными рациональными конструкционными и технологическими параметрами, реализованы много критериев, предъявляемых к проектированию СВЧ-установок:
1) непрерывность технологического процесса при соблюдении радиогерметичности установки;
2) максимальная напряженность электрического поля и собственная добротность резонатора;
3) многократное воздействие ЭМПСВЧ на сырье с определенной скважностью процесса;
4) возможность усиления бактерицидного действия за счет наложения волн разных частот в одном резонаторе;
5) совмещение процесса диэлектрического нагрева зерна с процессом его механического раз-р у ш е ния;
6) универсальность для термообработки разного вида фуражного зерна;
7) равномерность распределения зерна в объеме резонатора;
8) вариация производительности и мощности установок;
9) простой демонтаж узлов.
Исследования показывают, что при стацио-
н арном расположении резонаторов, амплитуда значения напряженности электрического поля концентрируется по месту расположения излучателя. Поэтому в конструкционных исполнениях рабочей камеры предусматривается движения зерновой массы или движение источников. Надежность работы установки и отказ в основном зависит от срока службы магнетрона, он у современных магнетронов достигает 5 000...6 000 часов [14; 15; 16]. В установках предусматривается не менее трех СВЧ-генераторов, при выходе одного генератора установка продолжает работать, но меньшей производи-
тельностью.
Заключение
Непрерывность технологического процесса для сырья разной структуры достигается за счет ре-зонаторно-лучевой электродинамической системы СВЧ-установки, где реализованы передвижные дифракционные резонаторы разной конфигурации, обеспечивающие механическое разрушение сырья, или реализованы передвижные источники ЭМПСВЧ. Загрузка сырья и выгрузка продукта в основном осуществляется через запредельные волноводы, что обеспечивает радиогерметичность установки при непрерывном режиме работы установки.
Исследования показывают, что вектора напряженностей электрического поля собственных мод дифракционных резонаторов, в соответствии с графической визуализацией и текстовой информацией на рисунках, равномерно распределены по всей рабочей области. Амплитудные значения напряженности электрического поля концентрируются в наибольшей степени по месту расположения излучателя в резонаторных камерах СВЧ-установки и достигают до 2,33 кВ/см, а за пределами дифракционных резонаторов - 54,5 В/см. При этом добротность тороидального резонатора, равная 8 000, за счет дифракции снижается на 5.7 %.
Удельная мощность источника влияет на скорость нагрева фуражного зерна, но степень снижения микробиологической обсемененности зерна зависит от дозы воздействия ЭМПСВЧ и специфического воздействия. Энергетические затраты в среднем для термомеханического воздействия на фуражное зерно составляют 0,08.0,12 кВт-ч/кг.
В работе использован комплекс существующих методов исследования, в том числе: теория электромагнитного поля СВЧ; методика поиска собственных мод резонатора с программным обеспечением; методы математической статистики и регрессионного анализа для выявления основных конструкционно-технологических параметров и режимов работы СВЧ-установок.
Основные тенденции и перспективы дальнейшей разработки - это применение СВЧ-гене-раторов с расширенным диапазоном мощности и частот; расширение сырьевой базы; контроль параметров, как составная часть технологического процесса; обеспечение удельной выходной мощности и радиогерметичности при сочетании максимальной напряженности электрического поля с высокой добротностью резонатора.
Разработаны научно-обоснованные практические рекомендации по созданию и эксплуатации установок с источниками ЭМИ для термомеханиче-
ского воздействия на фуражное зерно, позволяющих повысить кормовую ценность при сниженных эксплуатационных затратах. Основные технологические параметры: мощность источника СВЧ-энергии, напряженность электрического поля, продолжительность процесса, влажность зерна и доза воздействия ЭМПСВЧ контролируемы и регулируемы, что обеспечивает широкий диапазон управления режимами термомеханического воздействия на фуражное зерно. Созданные СВЧ-установки рекомендуется использовать для термомеханического воздействия на фуражное зерно с целью повышения кормовой ценности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аскин И. М. Расчет электромагнитных полей. М. : Энергоиздат, 1959. 385 с.
2. Мак-Доналд А. СВЧ-пробой в газах. М., Мир, 1969, 167 с.
3. Белов А. А., Самоделкин А. Г., Сторче-вой В. Ф., Белов Е. Л. Энтолейтор с источником энергии сверхвысокой частоты // Естественные и технические науки. М. : Спутник+, 2015, № 6. С. 497-499.
4. Белов А. А., Селиванов И. М., Умбетов У. У. Резонаторы, обеспечивающие термообработку сырья в поточном режиме // Естественные и технические науки. М. : Спутник+, 2015, № 6. С. 499-502.
5. Белов А. А., Сторчевой В. Ф., Сергеева Е. Ю. Дезинтегратор с СВЧ-генераторами для микронизации зерна // Естественные и технические науки. М. : Спутник+, 2015, № 6. С. 502-504.
6. Белов А. А., Сторчевой В. Ф., Михайлова О. В. Конструктивные особенности СВЧ-обору-дования для термообработки фуражного зерна // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. М. : ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, 2015, № 4. С. 115-121.
7. Белов Ю. Г., Золин А. Н. Расчет резонаторов с использованием непрерывного спектра собственных функций // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1996. Т. 4. № 2. С. 6.
8. Белоцерковский Г. Б. Основы радиотехники и антенны. М. : Сов. Радио, 1979. Ч. 1. Основы радиотехники. 368 с..
9. Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника : учебник. СПб. : Лань, 2007. 704 с.
10. 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. 286-288.
11. Белов А. А., Новикова Г. В., Михайлова О. В. Патент № 2584029 РФ, МПК А23Ш7/00.
Установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты; заявитель и патентообладатель АНО ВО «ATy»(RU). № 2015102653; заявл. 29.01.2015. Бюл. № 14. 15 с.
12. Коробков А. Н., Осокин В. Л., Белов А. А., Белова М. В., Михайлова О. В., Новикова Г. В. Патент № 2586160 РФ, МПК A23N17/00. РФ, МПК. Сверхвысокочастотная установка для обеззараживания зерна и зернопродуктов; заявитель и патентообладатель МАДИ (RU). № 2014147516/20(076427); заявл. 09.12.2014. Бюл. № 16 от 10.06.2016. 12 с.
13. Белов А. А., Белова М. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Белов Е. Л., Сергеева Е. Ю. Патент № 2602281 РФ, МПК А23Ш7/00. Установка для измельчения и обеззараживания зерна и зернопродук-тов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты; заявитель и патентообладатель МАДИ (RU). № 2014152010 (083218); заявл. 22.12.2014. Бюл. № 32 от 21.11.2016. 32 с.
14. Пахомов В. И., Пахомов А. И. Перспективы применения СВЧ-энергии в сельском хозяйстве // Материалы 7-й международной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике». М. : ГНУ ВИЭСХ, 2010. С. 250.
15. Коломейцев В. А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева : дис.: д.т.н. В. А. Коломейцев. Саратов : СГТУ, 1999. 439 с.
16. Коломейцев В. А., Комаров В. В. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. Ч. 1. Саратов : СГТУ, 1997. 251 с.
17. Коломейцев В. А., Кузьмин Ю. А., Семенов А. Э. Экспериментальные исследования уровня неравномерности нагрева диэлектрических материалов и поглощенной мощности в СВЧ-устройствах резонаторного типа // Электромагнитные волны и электронные системы, 2003. Т. 18. № 12. С. 25-31.
18. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М. : Высшая школа, 1970. 440 с.
19. Рогов И. А., Некрутман С. В. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М. : Агропро-миздат, 1986. 361 с.
20. Новикова Г. В., Жданкин Г. В., Михайлова О. В., Белов А. А. Анализ разработанных сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского государственного аграрного университета. Казань : ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ». 2016, № 4 (42). С. 89-93.
REFERENCES
1. Askin I. M. Raschet elektromagnitnih poley (Calculation of electromagnetic fields), M. : Energoiz-dat, 1959. 385 p.
2. Mak-Donald A. SVCH-proboy v gazah (Microwave breakdown in gases), M., Mir, 1969, 167 p.
3. Belov A. A., Samodelkin A. G., Storche-voy V. F., Belov E. L. Entoleytor s istochnikom energii sverhvisokoy chastoti (Entilator with the energy source of ultrahigh frequency), Estestvennie i tehnicheskie nauki. M. : Sputnik+, 2015, No. 6. pp. 497-499.
4. Belov A. A., Selivanov I. M., Umbetov U. U. Rezonatori, obespechivayuschie termoobrabotku sir'ya v potochnom rezhime (Cavities providing heat treatment of raw materials in-line), Estestvennie i tehnicheskie nauki. M. : Sputnik+, 2015, No. 6. pp. 499-502.
5. Belov A. A., Storchevoy V. F., Sergeeva E. YU. Dezintegrator s SVCH-generatorami dlya mikronizatsii zerna (Disintegrator with microwave generators for the micronized substance of grain), Estestvennie i tehnicheskie nauki. M. : Sputnik+, 2015, No. 6. pp. 502-504.
6. Belov A. A., Storchevoy V. F., Mihaylo-va O. V. Konstruktivnie osobennosti SVCH-oborudova-niya dlya termoobrabotki furazhnogo zerna (Structural features of microwave equipment for heat treatment of feed grain), Izvestiya Timiryazevskoy sel 'skohozyay-stvennoy akademii. M. : FGBOU VO RGAU-MSHA imeni K. A. Timiryazeva, 2015, No. 4. pp. 115-121.
7. Belov YU. G., Zolin A. N. Raschet rezonatorov s ispol'zovaniem neprerivnogo spektra sobstvennih funktsiy (Calculation of the resonators using a continuous spectrum of eigenfunctions), Elektrodinamika i tehnika SVCH i KVCH, 1996. T. 4. No. 2. pp. 6.
8. Belotserkovskiy G. B. Osnovi radiotehniki i an-tenni (Fundamentals of radio engineering and antennas), M. : Sov. Radio, 1979. CH. 1. Osnovi radiotehniki. 368 p.
9. Grigor'ev A. D. Elektrodinamika i mikrovolno-vaya tehnika (Electrodynamics and microwave technology), uchebnik. SPb. : Lan', 2007. 704 p.
10. Ziganshin B. G., Belova M. V., Noviko-va G. V., Matveeva A. N., Petrova O. I. Elektrodina-micheskiy analiz rezonatorov, ispol'zuemih v sverhviso-kochastotnih ustanovkah (Electrodynamic analysis of the resonator used in high-speed install key), Estestvennie i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6. pp. 286-288.
11. Belov A. A., Novikova G. V., Mihaylo-va O. V. Patent No. 2584029 RF, MPK A23N17/00. Ustanovka dlya obezzarazhivaniya i shelusheniya zerna v elektromagnitnom pole sverhvisokoy chastoti (Installation for disinfection and flaking of the grain in the electromagnetic field of ultrahigh frequency), zayavitel' i paten-toobladatel' ANO VO «ATU»(RU). No. 2015102653; zayavl. 29.01.2015. Byul. No. 14. 15 p.
12. Korobkov A. N., Osokin V. L., Belov A. A., Belova M. V., Mihaylova O. V., Novikova G. V. Patent
No. 2586160 RF, MPK A23N17/00. RF, MPK. Sverhvisokochastotnaya ustanovka dlya obezzarazhi-vaniya zerna i zernoproduktov (Microwave installation for decontamination of grain and grain products), zayavi-tel' i patentoobladatel' MADI (RU). No.
2014147516/20(076427); zayavl. 09.12.2014. Byul. No. 16 ot 10.06.2016. 12 p.
13. Belov A. A., Belova M. V., Novikova G. V., Mihaylova O. V., Belov E. L., Sergeeva E. YU. Patent No. 2602281 RF, MPK A23N17/00. Ustanovka dlya iz-mel 'cheniya i obezzarazhivaniya zerna i zernoproduktov v elektromagnitnom pole sverhvisokoy chastoti (Installation for grinding and disinfection of grain and grain products in the electromagnetic field of ultrahigh frequency), zayavitel' i patentoobladatel' MADI (RU). No. 2014152010 (083218); zayavl. 22.12.2014. Byul. No. 32 ot 21.11.2016. 32 p.
14. Pahomov V. I., Pahomov A. I. Perspektivi primeneniya SVCH-energii v sel'skom hozyaystve (Prospects of application of microwave energy in agriculture), Materiali 7-y mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii «Energosberegayuschie tehnologii v zhivotnovodstve i statsionarnoy energetike». M. : GNU VIESH, 2010. pp. 250.
15. Kolomeytsev V. A. Vzaimodeystvie elektro-magnitnih voln s pogloschayuschimi sredami i spetsi-al'nie SVCH-sistemi ravnomernogo nagreva (Interaction of electromagnetic waves with absorbing media and special microwave system uniform heating), dis.: d.t.n. V. A. Kolomeytsev. Saratov : SGTU, 1999. 439 p.
16. Kolomeytsev V. A., Komarov V. V. Mikro-volnovie sistemi s ravnomernim ob»emnim nagrevom (Microwave system with uniform volumetric heating), CH. 1. Saratov : SGTU, 1997. 251 p.
17. Kolomeytsev V. A., Kuz'min YU. A., Se-menov A. E. Eksperimental'nie issledovaniya urovnya neravnomernosti nagreva dielektricheskih materialov i pogloschennoy moschnosti v SVCH-ustroystvah rezona-tornogo tipa (Experimental study of the level of non-uniformity of heating of the dielectric material and the absorbed power in the microwave devices of the resonator type), Elektromagnitnie volni i elektronnie sistemi, 2003. T. 18. No. 12. pp. 25-31.
18. Lebedev I. V. Tehnika i pribori SVCH (Equipment and microwave devices), T. 1. M. : Visshaya shkola, 1970. 440 p.
19. Rogov I. A., Nekrutman S. V. Sverhvi-sokochastotniy nagrev pischevih produktov (Microwave heating of food products), M. : Agropromizdat, 1986. 361 p.
20. Novikova G. V., ZHdankin G. V., Mihaylova O. V., Belov A. A. Analiz razrabotannih sverhvisoko-chastotnih ustanovok dlya termoobrabotki sir'ya (Analysis of the developed microwave installations for heat treatment of raw materials), Vestnik Kazanskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta. Kazan' : FGBOU VO «Kazanskiy GAU». 2016, No. 4 (42). pp. 89-93.
Дата поступления статьи в редакцию 18.04.2017, принята к публикации 21.06.2017.
05.20.03 УДК 658.5
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАЩЕНИЯ С ОТХОДАМИ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО СЕРВИСА
© 2017
Комаров Ян Викторович, аспирант кафедры «Эксплуатация транспортных и технологических машин» Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I, Воронеж (Россия)
Пухов Евгений Васильевич, доктор технических наук, заведующий кафедры «Эксплуатация транспортных и технологических машин» Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I, Воронеж (Россия)
Аннотация
Введение. Статья посвящена моделированию процессов обращения с отходами и снижению производственных потерь, возникающих при перемещении отходов от рабочих постов и участков к промежуточным накопителям в процессе технического обслуживания и ремонта транспортных и технологических машин.
Материалы и методы. Предлагается использование промежуточных накопителей для сбора отходов, которые позволят минимизировать перемещение сотрудников предприятий технического сервиса. Дается обоснование данного решения на снижение затрат (операций, не добавляющих ценностей) предприятия, повышение производительности и эффективности работы предприятий технического сервиса. Применены методы полного перебора вариантов и стохастический метод Монте-Карло.
Результаты. Для обоснования целесообразности использования промежуточных накопителей для сбора отходов разработана математическая модель оптимизации размещения промежуточных накопителей на терри-
