CC BY
63
13. Ajzenberg Yu. B. Osnovy konstruirovaniya svetovyh priborov: Uchebnoe posobie dlya VUZov [Basics of designing light devices], Moscow: Publ. Energoatomizdat, 1996, 704 p.
14. Natrievaya fitolampa DNaT Sylvania GroLux 600 Vt 230 V dlya vyrashchivaniya rastenij [Electronic recourse]. Aviable at: http://svetisad.ru/svetisad.ru/product/sylvania-grolux-600 (accessed 22.11.2017).
15. Dolgih P. P., Docenko D. S., Cuglenok N. V. Vliyanie tipa lampy i napryazheniya istochnika na svetora-spredelenie promyshlennogo osvetitel'nogo pribora i effektivnost' raboty sistemy osveshcheniya [Influence of the lamp type and source voltage on the light distribution of the industrial lighting device and the efficiency of the lighting system], VestnikKrasGAU [Bulletin of KrasGAU] 2017, No. 3, pp. 66-74.
16. GOST R54350-2015. Pribory osvetitel'nye. Svetotekhnicheskie trebovaniya i metody ispytanij [GOST R54350-2015. Lighting devices. Lighting technical requirements and test methods]. Moscow: Standartinform, 2015, 46 p.
17. Karpov V. N. Vvedenie v energosberezhenie na predpriyatiyah APK [Introduction to energy saving at agricultural enterprises]. St. Petersburg: SPbGAU, 1999, 72 p.
18. Gajduk V. N., Shmigel' V. N. Praktikum po elektrotekhnologii [Workshop on electrotechnology], Moscow: Agropromizdat, 1989, 175 p.
19. Rozhdestvenskij V. I., Kleshnin A. F. Upravlyaemoe kul'tivirovanie rastenij v iskusstvennoj srede [Managed cultivation of plants in an artificial environment], Moscow: Nauka, 1980, 199 p.
20. Tipovoj proekt No. 810-1-35.90. Zimnyaya teplica proletom 18 m ploshchad'yu 3 ga [Model project № 810-1-35.90. Winter greenhouse span 18 m with an area of 3 hectares], Orel: Publ. Gipronisel'prom, 1990, 892 p.
Submitted 27.07.2018, revised 29.08.2018.
About the authors:
Pavel P. Dolgikh, Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Energy Systems» Address: Krasnoyarsk State Agrarian University, 660049, Russia, Krasnoyarsk, Mira Ave., 90 E-mail: dpp@rambler.ru Spin-code: 9234-1792
Dmitry S. Dotsenko, applicant of the chair «Energy Systems»
Address: Krasnoyarsk State Agrarian University, 660049, Russia, Krasnoyarsk, Mira Ave., 90 E-mail: DemonGeroy91@mail.ru
Contribution of the authors:
Pavel P. Dolgikh: research supervision, developed the theoretical framework, analysing and supplementing the text, writing the final text.
Dmitry S. Dotsenko: collection and processing of materials, analysed data, implementation of experiments.
All authors have read and approved the final manuscript.
05.20.02 УДК 637.02
РАЗРАБОТКА СВЧ-УСТАНОВКИ ДЛЯ ПАСТЕРИЗАЦИИ ОТБРАКОВАННОГО МОЛОКА
© 2018
Дмитрий Александрович Тараканов, ст. преподаватель кафедры «Охрана труда и безопасность жизнедеятельности» Ольга Валентиновна Михайлова, доктор технических наук, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Алексей Николаевич Коробков, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация» ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», Княгинино (Россия)
Аннотация
Введение: обилие соматических клеток и патогенных микроорганизмов в отбракованном молоке приводит к снижению его биологической ценности. Пастеризация отбракованного молока традиционными способами не избавит его от указанных причин. Поэтому целью настоящей работы является создание сверхвысокочастотной
(СВЧ) установки для перекачивания отбракованного молока через резонаторы с высокой напряженностью электрического поля и кожухотрубчатые теплообменники, обеспечивающие в процессе многократного нагрева и охлаждения улучшение микробиологических показателей.
Материалы и методы: обоснование электродинамических параметров СВЧ-установки проведены по программе трехмерного компьютерного моделирования электрического поля CST Studio Suite 2015. В качестве дозирующей и перекачивающей техники применяли насос НСУ-3/0,75.
Результаты: микроволновая установка для пастеризации отбракованного молока содержит последовательно соединенные секции, каждая из которых представлена как последовательно пристыкованная с помощью фланца цилиндрического резонатора и цилиндрического кожухотрубчатого теплообменника с патрубками входа и выхода воды. Внутри резонатора соосно установлен цилиндрический фторопластовый распределитель. Диаметр канала распределителя и диаметр трубки теплообменника равны и меньше, чем четверть длины волны. Магнетроны установлены с боковой стороны каждого резонатора.
Обсуждение: микроволновая технология обеззараживания отбракованного молока реализована в установке с новым конструкционным исполнением рабочей камеры, обеспечивающей перекачивание сырья через несколько резонаторов для возбуждения электрического поля высокой напряженности, состыкованных с кожу-хотрубчатым охладителем. Диаметр цилиндрических каналов не превышает две глубины проникновения ЭМПСВЧ в отбракованное молоко.
Заключение: СВЧ-установка обеспечивает: сохранение основных показателей пастеризованного отбракованного молока; подавление жизнедеятельности болезнетворных микроорганизмов до 500 тыс. КОЕ/мл. за счет многократного воздействия ЭМПСВЧ высокой напряженности (выше 2 кВ/см) и молекулярного трения в процессе перекачивания с помощью насоса через резонаторы. Эффективные режимы нагрева и охлаждения обеспечивают производительность установки до 300 л /ч, при потребляемой мощности 4,35 кВт. Ключевые слова: высокая напряженность электрического поля, динамика нагрева, кожухотрубчатые теплообменники, нагрев-охлаждение, обработка отбракованного молока, регрессионные модели, сверхвысокочастотная установка, циклическое воздействие, цилиндрические перфорированные резонаторы.
Для цитирования: Тараканов Д. А., Михайлова О. В., Коробков А. Н. Разработка СВЧ-установки для пастеризации отбракованного молока // Вестник НГИЭИ. 2018. № 10 (89). С. 44-55.
THE DEVELOPMENT OF MICROWAVE SYSTEM FOR PASTEURIZATION OF MILK MASTITOGO
© 2018
Dmitry Alexandrovich Tarakanov, senior lecturer of the chair of Labor Protection and life safety» Olga Valentinovna Mikhailova, Dr. Sci. (Engineering), Professor of the chair of information and Communication technologies and communication systems Alexey Nikolayevich Korobkov, Ph. D. (Engineerring), associate professor, chair of electrification and automation Nizhny Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino (Russia)
Abstract
Introduction: the abundance of somatic cells and pathogens in mastitis milk leads to a decrease in its biological value. Pasteurization of milk mastitis traditional ways will not save him from these reasons. Therefore, the aim of this work is to develop ultra-high-frequency (microwave) installation for pumping rejected milk through resonators with high electric field intensity and shell-and-tube heat exchangers, providing in the process of repeated heating and cooling improvement of microbiological parameters.
Materials and methods: justification of the electro dynamic parameters of the microwave installation was carried out according to the program of three-dimensional computer simulation of the electric field CST Studio Suite 2015. As a dosing and pumping equipment used pump NSU-3/0, 75.
Results: the microwave unit for pasteurization of mastitis milk contains a series of connected sections, each of which is presented as a series docked with a flange of a cylindrical resonator and a cylindrical shell-and-tube heat exchanger with water inlet and outlet pipes. Inside the resonator coaxially installed cylindrical Teflon dispenser. The diameter of the distributor channel and the diameter of the heat exchanger tube are equal and less than a quarter of the wavelength. The magnetrons are mounted on the side of each resonator.
Discussion: microwave technology of decontamination of culled milk is implemented in the installation with a new
design of the working chamber, which provides pumping of raw materials through several resonators to excite the electric field of high tension, docked with a shell-and-tube cooler. The diameter of the cylindrical channels does not exceed two depths of penetration, MPSVC in matinee milk.
Conclusion: microwave installation provides: the preservation of the basic indicators mastitis pasteurized milk; suppression of vital activity of pathogenic microorganisms to 500 thousand CFU/ml. due to the repeated exposure of APPSVC high tension (above 2 kV/cm) and molecular friction in the pumping process using the pump through the resonators. Efficient heating and cooling modes provide the plant capacity up to 300 l/h, with a power consumption of 4.35 kW.
Key words: ultra-high-frequency installation; cylindrical perforated resonators; shell-and-tube heat exchangers; mastitis milk processing, cyclic impact, heating-cooling, electric field of high tension, the regression model, the dynamics of heat.
For citation: Tarakanov D. A., Mikhailov O. V., Korobkov A. N. The Development of microwave system for pasteurization of milk mastitogo // Bulletin NGIEI. 2018. № 10 (89). P. 44-55.
Введение
В свежем выдоенном молоке здоровых коров содержится 260-500 тыс. колониеобразующих единиц в мл. Если же корова больна маститом, то их количество достигает десятков миллионов [1]. Отбракованное молоко подвергают высокотемпературной пастеризации традиционным способом [2]. Результаты исследования многих ученых свидетельствуют, что применение пастеризованного отбракованного молока для выпаивания бычков рентабельно, если объем при поголовье дойных коров выше 1 200 голов [3]. В фермерских хозяйствах эксплуатационные затраты на обеспечение пастеризации достаточно высокие, полностью снизить КМАФАнМ в сырье, не удается [4; 5].
Имеется микроволновая технология пастеризации меланжа и молока [6; 7; 8; 9]. Способы пастеризации, реализуемые в техническом средстве, позволяют избавиться от патогенов при обеспечении напряженности 8-14 кВ/см.
Известен метод последовательного облучения ультрафиолетом и лучами инфракрасного диапазона, позволяющий непрерывно обеззараживать поток молока [10]. Недостатком данного метода является сравнительно малый срок эксплуатации ламп.
Опираясь на итоги научных исследований авторов [11; 12; 13], нами решается задача увеличения питательной ценности отбракованного молока посредством снижения вредных микроорганизмов путем неоднократного влияния ЭМПСВЧ и охлаждения.
Материалы и методы
Исследование электрофизических способов уничтожения вредной бактериальной микрофлоры молока позволило выявить критерии проектирования установок СВЧ с маломощными магнетронами, позволяющими осуществлять непрерывный режим работы. Длина волны ЭМП подобрана в соответст-
вии с конструкцией и размерами резонатора. Также проведено согласование таких параметров, как объем, с созданием критической напряженности. Рассчитана и радиогерметичность установки.
Расчет электродинамических параметров резонатора был проведен в программе моделирования ЭМП CST Studio Suite 2017.
В предлагаемой установке источниками электромагнитных излучений на частоте 2 450 МГц являются маломощные магнетроны с воздушным охлаждением. Полезная мощность одного магнетрона - 0,7...0,8 кВт. Для дозирования и перекачивания применяли насос НСУ-3/0,75. Длительность действия ЭМП СВЧ устанавливали, варьируя мощность насоса. Качество молока проверяли при помощи ультразвукового исследования в приборе «Экомилк-тотал».
На основе исследования указанных в источниках [14; 15] технологий обработки молока при помощи тепла главная научная задача свелась к разработке конструкции аппарата для тепловой обработки и перекачивания сырья через несколько колебательных систем, где возбуждается ЭМП СВЧ достаточной напряженности, состыкованных с ко-жухотрубным охладителем.
Результаты и обсуждение
На основе существующих закономерностей распределения ЭМПСВЧ в резонаторах разных конфигураций и объема, решается научно-техническая задача - разработка СВЧ-установки с резонатором, возбуждающим электрическое поле высокой напряженности, для подавления жизнедеятельности вегетативных форм микроорганизмов в отбракованном молоке.
Целью настоящей работы является создание рабочей камеры СВЧ-установки для перекачивания отбракованного молока через резонаторы с высокой напряженностью электрического поля и кожухотруб-
чатые теплообменники, обеспечивающие в процессе многократного нагрева и охлаждения улучшение микробиологических показателей.
Установка (рис. 1) содержит следующие основные элементы: насос 1, шаровой кран 2, фланцы 3, переходник расширительный 4, цилиндрический резонатор 5, цилиндрический фторопластовый распределитель 6, цилиндрический кожухот-рубчатый теплообменник 7, патрубок входа воды 8, патрубок выхода воды 9, сужающий переходник 10, расходомер 11, магнетрон 12. Микроволновая установка содержит в горизонтальной плоскости несколько последовательно соединенных секций. Каждая секция представлена как последовательно пристыкованная с помощью фланца 3 цилиндрического резонатора 5 и цилиндрического кожухот-рубчатого теплообменника 7 с патрубками входа 8 и выхода воды 9. Внутри цилиндрического резона-
тора 5 соосно установлен цилиндрический фторопластовый распределитель 6 так, что его цилиндрические каналы состыкованы с трубками цилиндрического теплообменника 7. Основания теплообменника 7 служат основаниями цилиндрического резонатора 5, т. е. цилиндрический резонатор будет с перфорированными основаниями. Диаметр канала фторопластового распределителя 6 и диаметр трубки теплообменника 7 равны и меньше, чем четверть длины волны. Это обеспечит радиогерметичность установки [12]. Насос 1 с шаровым краном 2 установлен впереди расширительного переходника 4, а сужающий переходник 10 с расходомером 11 присоединен к последней секции установки. Магнетроны 12 установлены с боковой стороны каждого цилиндрического резонатора 5 с учетом результатов исследований О. О. Дробахина и др. [16; 17; 18; 19].
Рис. 1. Пространственное изображение сверхвысокочастотной установки для пастеризации отбракованного молока: а) общий вид в разрезе: б) цилиндрический резонатор; в) цилиндрический фторопластовый распределитель; г) кожухотрубчатый теплообменник; 1 - насос, 2 - шаровой кран, 3 - фланцы, 4 - переходник расширительный, 5 - цилиндрический резонатор, 6 - цилиндрический фторопластовый распределитель, 7 - цилиндрический кожухотрубчатый теплообменник, 8 - патрубок входа воды, 9 - патрубок выхода воды, 10 - сужающий переходник, 11 - расходомер, 12 - магнетрон Fig. 1. Spatial image of the ultra-high-frequency unit for pasteurization of mastitis milk: a) general view in the section: b) cylindrical resonator; c) cylindrical fluoroplastic distributor; g) shell-and-tube heat exchanger; 1 - pump, 2 - ball valve, 3 - flanges, 4 - expansion adapter, 5 - cylindrical resonator, 6 - cylindrical fluoroplastic distributor, 7 - cylindrical shell and tube heat exchanger, 8 - water inlet pipe, 9 - water outlet pipe, 10 - narrowing adapter, 11 - flow meter, 12 - magnetron
Технологический процесс происходит следующим образом. Включить насос 1 для перекачивания из резервуара, где хранится охлажденное отбракованное молоко (рис. 1). Через шаровой кран 2, обеспечивающий дозированную подачу молока, и расширительный переходник 4 сырье попадает в каналы цилиндрического фторопластового распределителя 6. После включения СВЧ-генератора
(электронный блок расположен в специальном шкафу управления) излучатель от магнетрона 12 возбуждает ЭМПСВЧ в цилиндрическом резонаторе 5. Молоко, распределенное по каналам фторопластового распределителя 6, нагревается равномерно, так как диаметр цилиндрических каналов не превышает две глубины проникновения ЭМПСВЧ в отбракованное на предприятии сырье [20]. Путем
снижения размеров колебательной системы обеспечивается достаточная напряженность ЭП для губительного воздействия на патогенные микроорганизмы [21; 22]. Пробой в сырье исключен за счет применения изоляции фторопластовым распределителем 6.
Если напряженность ЭП достигает 150-300 В/см, то потери энергии из-за теплопередачи гораздо больше, чем поглощённая энергия ЭМПСВЧ, и эффект пастеризации не достигается [21]. Для достижения достаточного эффекта необходимо создать напряженность ЭМП сантиметрового диапазона, равную 2-14 кВ/см.
После нагрева молоко подлежит охлаждению в теплообменнике кожухотрубного типа 7. После чего «нагрев-охлаждение» бракованного молока повторяется неоднократно при перекачивании через последующие секции. Протекая через сужающий переходник 10, а также расходомер 11, продукт направляется в танк-охладитель. Пользуясь формулами, предложенными А. С. Гинзбургом, а также В. Ф. Соколовым, предложена методика оценки воздействия температуры нагрева на степень снижения КМАФАнМ в сырье, которая позволяет сопоставить производительность и рабочий объем для загрузки сырья со скоростью нагрева, а также плотностью, тангенсом угла диэлектрических потерь, теплоемкостью и диэлектрической проницаемостью
[23; 24]. Предлагаемый резонатор цилиндрической формы имеет перфорацию в основаниях. Диаметр основания равен целому числу полуволн, что обеспечивает равномерность нагрева потока отбракованного молока. Каналы в фторопластовом распределителе имеют диаметр десятикратно меньший д лины в о лны. Чем больше протяженность каналов в фторопластовом распределителе и кожухотрубча-том теплообменнике, тем проще отрегулировать продолжительность действия ЭМП СВЧ изменением производительности перекачивающего насоса. Электронная система управления позволяет контролировать параметры технологии, а также управлять нагревом и охлаждением с соблюдением скважности. Фторопластовый распределитель исключает осаждение накипи и полностью пригоден к использованию в пищевом перерабатывающем производстве. Температура стадий нагрева, а также охлаждения молока отображается на дисплее, расположенном на панели управления. Встроенная тепловая защита исключает перегрев. Возможно регулирование параметров установки с пульта дистанционного управления. Предварительные итоги по исследованию динамики нагрева отбракованного молока приведены на рисунке 2. Например, если удельная мощность генератора составляет 8 Вт/г, то температура нагрева отбракованного молока достигает до 85 °С за полторы минуты.
130
120
О /о 110
о ¿S 100
§ 3 90
80
ом t fo 70
СЗ (U 60
т at та }-н а и
50 40
и &
a g 30
0) -м Н « 20
— Н 10 0
0
0,5
Продолжительность, мин / Dufation, min
2
к 1 5 1к
Ря д 1 ■у = -2x 4 -6 x3 + 34 ,5x2 + 2 9,93 x + 10, 72 iff-" —
Ря д 2 у = -3x 4 -2 ,85 x3 + 38, 69x2 + 3 4,41 x + 1 0,7 А 0
Ря Ш 3 -у = -3 x4 + 15, 96x3 -1 2,86 x2 + 11 ,15x + 1 0,14 1 9 S J
8
Л 60 60
1 40 J
Г
— 20
- 130
100 90
2,5
Рис. 2. Динамика нагрева отбракованного молока в ЭМП СВЧ при удельных мощностях:
1) 11 Вт/г; 2) 8 Вт/г; 3) 5 Вт/г Fig. 2. Dynamics of the heating mastitnogo milk in ENSUCH at specific facilities:
1) 11 W/m; 2) 8 W/g; 3) 5 W/g
На основе регрессионных закономерностей определены рациональные режимы для пастеризации сырья, а именно отбракованного молока. Учитывались следующие параметры, качественно
влияющие на процесс: удельная мощность генераторов (Руд, Вт/г - х1); продолжительность обработки (т, ч - х2); скважность процесса (8, % - х3) (табл. 1 и 2).
Таблица 1. Матрица оптимизации технологических параметров СВЧ-установки Table 1. Matrix optimization of technological parameters of microwave installation
Удельная мощность генератора, Вт/г / Specific generator power, W/g Продолжительность обработки, ч / Duration of treatment, h Скважность процесса, % / The duty cycle of the process, % Потребляемая мощность установки, кВт/ Power consumption of the plant, kW
№ Х1 Руд Х2 мин. т, ч Х3 S Робщ
1 + 11 + 2,5 0,042 + 0,5 5,55
2 + 11 - 0,5 0,0083 - 0,1 5,55
3 - 5 + 2,5 0,042 - 0,1 3,15
4 - 5 - 0,5 0,0083 + 0,5 3,15
5 0 8 0 1,5 0,025 0 0,3 4,35
6 - 5 0 1,5 0,025 0 0,3 3,15
7 + 11 0 1,5 0,025 0 0,3 5,55
8 0 8 - 0,5 0,0083 0 0,3 4,35
9 0 8 + 2,5 0,042 0 0,3 4,35
10 0 8 0 1,5 0,025 - 0,1 4,35
11 0 8 0 1,5 0,025 + 0,5 4,35
Таблица 2. Оптимизируемые технологические параметры
Table 2. Optimized process parameters
№ Температура, °С (Т) / Temperature, °С (Т) Производительность, (Q) / Manufacturer, (Q) ОМЧ, КОЕ/г / TBC, CFU/g Энергетиче ские затраты, кВт-ч/кг / Energy costs, kWh/kg
Y1 Y2, кг / ч Y3 106 Y4
1 140 100 0,1 0,055
2 37 380 1,8 0,015
3 85 270 0,4 0,012
4 15 500 1,9 0,0063
5 90 300 0,5 0,0145
6 38 360 1,4 0,00875
7 100 260 2,0 0,021
8 25 480 1,85 0,01
9 100 260 0,2 0,017
10 60 300 0,5 0,0145
11 80 320 0,5 0,0136
Примечание. Общее микробное число в исходном молоке - 2 млн КОЕ/г
Интервалы изменения факторов определяли исходя из конструкционно-технологических параметров СВЧ-установки. Пределы их изменения следующие: (х1) 5 < Руд< 11 Вт/г; (х2) 0,5 < т < 2,5 мин.; (х3) 0,1< S < 0,5 %. При этом оценивали: Y1 - конечную температуру пастеризованного молока (Т, °С); Y2 - производительность пастеризатора кг/ч); Y3 - удельные энергетические затраты на
пастеризацию отбракованного молока,
(W, кВтч/кг); Y4 - микробиологическую обсеме-ненность обработанного молока, (КМАФАнМ, КОЕ/г). Пользуясь программой «Statistic V8.0», построены поверхности отклика и их двумерные сечения в изолиниях (рис. 3). Регрессионные модели технологического процесса описаны формулой 1.
3D Surface Plot of y1 against x1 and x2 экспер2^а 12v*11c y1 = -32,8779+3,7836*x+2383,7485*y-0,0088*x*x+162,5107*x*y-24469,5311*y*y
y2 = 491,6084+35,5672*x-10972,0934*y-3,1871*x*x-248,5941*x*y+1,1412E5*y*y
□ □ □ □ □ □ □ □ □ □
а
y3 = 5,598-0,9974*x-24,5948*y+0,0646*x*x-1,0126*x*y-303,7168*y*y
■
□ □ □ □
П □
□ □
П □
□ □ ■ ■
> 156
< 156
< 152
< 148
< 144
< 140
< 136
< 132
< 128
< 124
< 120 < 116 < 112 < 108
< 104
< 100
< 96
< 92
< 88
< 84
< 80
< 76
< 72
< 68
< 64
< 60
> 2,7
< 2,7
< 2,6
< 2,5
< 2,4
< 2,3
< 2,2 < 2,1 < 2
< 1,9
< 1,8
< 1,7
< 1,6
< 1,5
< 1,4
< 1,3
< 1,2 < 1,1 < 1
< 0,9
< 0,8
< 0,7
< 0,6
< 0,5
< 0,4
< 0,3
y4 = 0,0471-0,0093*x-1,4378*y+0,0005*x*x+0,17*x*y+11,9046*y*y
□ < 400 О < 360
□ < 340 О < 320
□ < 300
□ < 280 □ < 260
□ < 240
О < 220
□ < 200 О < 180 □ < 160 О < 140
■ > 0,0625
■ < 0,0625
■ < 0,0675
■ < 0,055
■ < 0,0525
■ < 0,0575
■ < 0,045
□ < 0,0425
□ < 0,04
□ < 0,0375
□ < 0,035
□ < 0,0325
□ < 0,03
□ < 0,0275
□ < 0,025
□ < 0,0225
■ < 0,02
■ < 0,0175
■ < 0,0155
■ < 0,0075
в г
Рис. 3. Поверхность отклика и двумерные сечения в изолиниях трехфакторных моделей при скважности 0,5 %: а) температуры молока (°С); б) производительности установки (кг/ч); в) изменения общего микробного числа в пастеризованном молоке (* 106 КОЕ/г); г) удельных энергетических затрат на технологический процесс (кВт-ч/кг) Fig. 3. Response Surface and two-dimensional cross sections in the isolines of three-factor models at a duty cycle of 0.5 %: a) milk temperature (°C); b) plant capacity (kg / h); c) changes in the total microbial number in pasteurized milk (x106 CFU/g); d) specific energy costs of the process (kWh / kg)
Регрессионные модели технологического процесса:
Y1 = -32,88+3,78 х1+2383,75х2-0,0088х12+ +162,51 х1 х2-2469,53х22;
Y2 = 491,61+35,57 х1-10972,09х2-3,19х12--248,6х1х2+1,14105 х22;
Y3 = 5,6-х1-24,6 х2+0,065 х12-1,01 х1х2-303,72 х22;
Y4 = 0,047-0,0093 х1-1,44 х2+0,0005х12+
+0,17 х1х2+11,91 х22. (1)
При потребляемой мощности 4,35 кВт можно достичь улучшения микробиологических показателей до нормативных данных, если температура нагрева не ниже 85-90 °С, при этом производительность составляет 300 кг/ч, а скважность 0,5 %.
Предварительные расчеты показывают, что годовой экономический эффект от применения СВЧ-установки для обеззараживания отбракованного молока в фермерских хозяйствах составит 80-100 тыс. руб. Выработаны предложения по совершенствованию микроволновой технологии термообработки и обеззараживания отбракованного молока и технических средств, предназначенных для реализации в фермерских хозяйствах, в том числе оснащение современной дистанционной контрольно-измерительной техникой для предотвращения непреднамеренного излучения СВЧ-энергии при непрерывном режиме работы установки, что обеспечивало бы экологически чистое ее функционирование.
Таблица 3. Технические характеристики СВЧ-установки для обеззараживания отбракованного молока в непрерывном режиме
Table 3. Specifications of microwave installation for decontamination of milk mastitnogo continuous operation
№
Наименование /Name
1 Производительность, кг/ч / Capacity, l / h До 300
2 Температура нагрева отбракованного молока, °С/ Heating temperature mastitnogo milk, °C 85-90
3 Удельная мощность СВЧ-генератора, Вт/г / The specific power of the microwave generator, W/g 5-8
4 Потребляемая мощность СВЧ-установки, кВт/Power consumption of microwave installation, kW 4,35-5,55
5 Удельные энергетические затраты, Вт-ч/л/ Specific energy costs, W •h / l 15-19
Заключение
Предлагаемая технология микроволнового обеззараживания отбракованного молока применяется в установке, реализующей транспортировку сырья сквозь резонаторы небольшого объема для возбуждения ЭП высокой напряженности, состыкованных с кожухотрубчатым охладителем. Технологический процесс осуществляется со скважностью менее, чем 0,5. Для равномерного нагрева диаметр цилиндрических каналов не превышает две величины глубины проникновения ЭМП СВЧ в отбракованное молоко.
Проведенные исследования указывают на то, что предлагаемая установка, предназначенная для пастеризации отбракованного молока, обеспечивает:
- сохранение основных показателей пастеризованного отбракованного молока;
- достижение КМАФАнМ до величины 500 тыс. КОЕ/мл., за счет неоднократного циклического воздействия ЭМП СВЧ напряженностью вы-
ше 2 кВ/см и молекулярного трения при транспортировке сырья насосом через резонаторы;
- увеличение срока хранения продукта на 24 часа, при температуре 6 °С;
- снижение эксплуатационных затрат на пастеризацию отбракованного молока по сравнению с традиционным способом с использованием пастери-зационно-охладительной установки.
Производительность установки до 300 кг /ч обеспечивается режимом пастеризации за счет достаточного эффекта от нагрева и охлаждения, причем потребляемая мощность установки - 4,35 кВт.
Совокупность обоснованных научных положений открывает перспективные направления совершенствования микроволновых электротехнологий обработки сырьевых материалов и продукции сельского хозяйства в радиогерметичных установках, обеспечивающих непрерывный режим обработки и малые затраты на эксплуатацию в условиях фермерских хозяйств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Изменения качества молока при мастите [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://studbooks.net/843862/agropromyshlennost/izmeneniya_kachestva_moloka_mastite (дата обращения: 10/05/2018).
2. Ветсанэкспертиза молока больных животных (при туберкулезе, лейкозе, маститах). Методы обеззараживания молока [Электронный ресурс]. Режим доступа: //https://lektsii.org/3-31642.html (дата обращения: 10/05/2018).
3. Молоко и корма. Менеджмент. № 2 (23). 2009 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mustangtk.ru/ (Дата обращения: 02.10.2012).
4. Новикова Г. В., Кириллов Н. К., Пономарев А. Н. Патент 2432764 РФ, МПК А23С3/07. Установка для тепловой обработки жидкости, заявитель и патентообладатель ЧГСХА (ЯИ). № 2010101205/13 (001600); заявл. 15.01.2010. Бюл. № 31 от 10.11.2011. 12 с.
5. Родионова А. В., Новикова Г. В., Белова М. В. Патент 2541779 РФ, МПК А23С3/07. Установка для обеззараживания жидкостей комплексным воздействием физических факторов; заявитель и патентообладатель ЧГСХА (ЯИ). № 2013120377; заявл. 30.04.2013. Бюл. № 5 от 20.02.2015. 7 с.
6. Пономарев А. Н. Обоснование параметров и режимов работы системы СВЧ-обеззараживания молока на фермах. Автореферат на соиск. уч. степени к.т.н. М. : ВИЭСХ 2011. 20 с.
7. Пономарев А. Н. Обоснование параметров и режимов работы системы СВЧ-обеззараживания молока на фермах. Диссертация на соиск. учен. степени к.т.н. М. : ВИЭСХ 2011. 150 с.
8. Кириллов Н. К., Белов А. А., Пономарев А. Н. Патент № 2462099 РФ, МПКА23Ь3/01. Способ и установка для низкотемпературной пастеризации жидких продуктов, заявитель и патентообладатель ЧГСХА (ЯИ). № 2010101203/07 (001598); заявл. 01.10.2010; Бюл. № 27 от 27.09.2012. 20 с.
9. Новикова Г. В., Белов А. А., Белова М. В. Патент № 2365323 РФ, МПК A47J29/02. Установка для варки меланжа диэлектрическим нагревом; заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). № 2008127934/12; заявл. 08.07.2008. Бюл. № 24 от 27.08.2009. 9 с.
10. Способ обеззараживания молока / Материалы сайта «FindPatent.ru» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/254/2546235.html.
11. Белова М. В. Разработка сверхвысокочастотных установок для термообработки сельскохозяйственного сырья. Дис. докт. тех. наук. М. : ВИЭСХ. 2016. 40 с.
12. Новикова Г. В., Родионова А. В., Белова М. В. Установка для обеззараживания молока комплексным воздействием электрофизических факторов. Монография. Чебоксары : ФГБОУ ВПО «Чувашский ГУ им. И. Н. Ульянова», 2014. 140 с.
13. Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В. Анализ разработанных сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского государственного аграрного университета. Казань : ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ». 2016. № 4 (42). С. 89-93.
14. Родионова А. В., Новикова Г. В. Обоснование режимов работы установки для обеззараживания молока // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева, 2013. № 4 (80). С. 46-48.
15. Дробахин О. О., Плаксин С. В., Рябчий В. Д., Салтыков Д. Ю. Техника и полупроводниковая электроника СВЧ : Учебное пособие. Севастополь : Вебер, 2013. 322 с.
16. Дробахин О. О. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами // Радиофизика радиоастрономия. 2009, Т. 14. С. 433-441.
17. Коломейцев В. А., Кузьмин Ю. А., Никуйко Д. Н., Захаров А. А. Электродинамические и тепловые свойства микроволновых печей при различных способах и системах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере // Вопросы электротехнологии. 2014. № 2 (3). С. 28-34.
18. Гинзбург А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М. : Аг-ропромиздат. 1985. 336 с.
19. Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника. СПб. : Лань, 2007. 704 с.
20. Рогов И. А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М. : Легкая и пищевая промышленность. 1981. 288 с.
21. Патент № 2161505. Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ-излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru-patent.info/21/60-64/2161505.html.
22. Пчельников Ю. Н., Свиридов В. Т. Электроника сверхвысоких частот. М. : Радио и связь. 1981. 96 с.
23. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны : Учебное пособие. М. : РИОР: ИНФРА-М, 2014. 375 с.
24. Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В. Анализ разработанных сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского государственного аграрного университета. Казань : ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ». 2016. № 4 (42). С. 89-93.
Дата поступления статьи в редакцию 17.07.2018, принята к публикации 28.08.2018.
Информация об авторах: Тараканов Дмитрий Александрович, ст. преподаватель
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино,
ул. Октябрьская, 22а
E-mail: ngiei-ohrana_truda@mail.ru
Spin-код: .5660-7456
Михайлова Ольга Валентиновна, доктор технических наук, профессор
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: ds17823@yandex.ru Spin-код :.9437-0417
Коробков Алексей Николаевич, кандидат технических наук, старший преподаватель
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Княгинино,
ул. Октябрьская, 22а
E-mail: aleksey.korobkovs52@ mail.ru
Spin-код: .6740-5994
Заявленный вклад авторов:
Тараканов Дмитрий Александрович: выполнил патентно-информационный поиск, анализ научной литературы, исследовал динамику нагрева маститного молока.
Михайлова Ольга Валентиновна: научный руководитель, совместно соавторами сформулировала цель, задачи исследования, составила матрицу планирования эксперимента и получила регрессионные модели технологического процесса обеззараживания маститного молока.
Коробков Алексей Николаевич: совместно с научным руководителем предложил конструкционное исполнение цилиндрического резонатора, фторопластового распределителя и кожухотрубчатого теплообменника.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Izmeneniya kachestva moloka pri mastite [Elektronnyj resurs]. Available at: https://studbooks.net/843862/ agropromyshlennost/izmeneniya_kachestva_moloka_mastite (Accessed: 10/05/2018).
2. Vetsane'kspertiza moloka bol'ny'h zhivotny'h (pri tuberkuleze, lejkoze, mastitah). Metody' obezzarazhiva-niya moloka [Jelektronnyj resurs]. Available at: https://lektsii.org/3-31642.html (Accessed: 10/05/2018).
3. Moloko i korma. Menedzhment. No. 2 (23). 2009 [Elektronnyj resurs]. Available at: http://www.mustangtk.ru/ (Accessed: 02.10.2012).
4. Novikova G. V., Kirillov N. K., Ponomarev A. N. Patent 2432764 RF, MPK A23S3/07. Ustanovka dlya tep-lovoj obrabotki zhidkosti [Installation for heat treatment of liquid], zayavitel' i patentoobladatel' ChGSHA (RU). No. 2010101205/13 (001600); zayavl. 15.01.2010. Byul. No. 31 ot 10.11.2011. 12 p.
5. Rodionova A. V., Novikova G. V., Belova M. V. Patent 2541779 RF, MPK A23S3/07. Ustanovka dlya ob-ezzarazhivaniya zhidkostej kompleksny'm vozdejstviem fizicheskih faktorov [Installation for disinfection of liquids by complex influence of physical factors]; zayavitel' i patentoobladatel' ChGSHA (RU). No. 2013120377; zayavl. 30.04.2013. Byul. No. 5 ot 20.02.2015. 7 p.
6. Ponomarev A. N. Obosnovanie parametrov i rezhimov raboty' sistemy' SVCh-obezzarazhivaniya moloka na fermah [Substantiation of parameters and modes of operation of the system of microwave disinfection of milk on farms. Ph. D. (Engineering) Thesis], Moscow: VIE'SH 2011. 20 p.
7. Ponomarev A. N. Obosnovanie parametrov i rezhimov raboty' sistemy' SVCh-obezzarazhivaniya moloka na fermah [Substantiation of parameters and modes of operation of the system of microwave disinfection of milk on farms. Ph. D. (Engineering) Diss.], Moscow: VIE'SH 2011. 150 p.
8. Kirillov N. K., Belov A. A., Ponomarev A. N. Patent No. 2462099 RF, MPKA23L3/01. Sposob i ustanovka dlya nizkotemperaturnoj pasterizacii zhidkih produktov [Method and installation for low-temperature pasteurization of liquid products], zayavitel' i patentoobladatel' ChGSHA (RU). No. 2010101203/07 (001598); zayavl. 01.10.2010; Byul. No. 27 ot 27.09.2012. 20 p.
9. Novikova G. V., Belov A. A., Belova M. V. Patent No. 2365323 RF, MPK A47J29/02. Ustanovka dlya varki melanzha die'lektricheskim nagrevom [A device for brewing melange dielectric heating], zayavitel' i patentoobladatel' ChGSHA (RU). No. 2008127934/12; zayavl. 08.07.2008. Byul. No. 24 ot 27.08.2009. 9 p.
10. Sposob obezzarazhivaniya moloka [Method of milk disinfection], Materialy' sajta «FindPatent.ru» [Jelektronnyj resurs]. Available at: http://www.findpatent.ru/patent/254/2546235.html.
11. Belova M. V. Razrabotka sverhvy'sokochastotny'h ustanovok dlya termoobrabotki sel'skohozyajstvennogo sy'r'ya [Development of ultra-high-frequency plants for heat treatment of agricultural raw materials. Ph. D. (Engineering) Diss.], Dis. dokt. teh. nauk. Moscow: VIE'SH. 2016. 40 p.
12. Novikova G. V., Rodionova A. V., Belova M. V. Ustanovka dlya obezzarazhivaniya moloka kompleksny'm vozdejstviem e'lektrofizicheskih faktorov [Installation for milk disinfection by complex influence of electrophysical factors], Monografiya. Cheboksary' : FGBOU VPO «Chuvashskij GU im. I. N. Ul'yanova», 2014. 140 p.
13. Zhdankin G. V., Novikova G. V., Mihajlova O. V. Analiz razrabotanny'h sverhvy'sokochastotny'h ustano-vok dlya termoobrabotki sy'r'ya [Analysis of the developed ultra-high-frequency plants for heat treatment of raw materials], Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Kazan state agrarian University], Kazan' : FGBOU VO «Kazanskij GAU». 2016. No. 4 (42). pp. 89-93.
14. Rodionova A. V., Novikova G. V. Obosnovanie rezhimov raboty' ustanovki dlya obezzarazhivaniya moloka [Substantiation of operating modes of the milk disinfection unit], Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo peda-gogicheskogo universiteta im. I. Ya. Yakovleva [Bulletin of Chuvash state pedagogical University. I. Ya. Yakovlev],
2013. No. 4 (80). pp. 46-48.
15. Drobahin O. O., Plaksin S. V., Ryabchij V. D., Salty kov D. Yu. Tehnika i poluprovodnikovaya e'lektronika SVCh [Microwave technology and semiconductor electronics], Uchebnoe posobie. Sevastopol': Publ. Veber, 2013. 322 p.
16. Drobahin O. O. Rezonansny'e svojstva aksial'no-simmetrichny'h mikrovolnovy'h rezonatorov s koni-cheskimi e'lementami [The resonant properties of axially-symmetrical microwave resonators with conical elements], Radiofizika radioastronomiya [Radiophysics radio astronomy], 2009, Vol. 14. pp. 433-441.
17. Kolomejcev V. A., Kuz'min Yu. A., Nikujko D. N., Zaharov A. A. E'lektrodinamicheskie i teplovy'e svojstva mikrovolnovy'h pechej pri razlichny'h sposobah i sistemah vozbuzhdeniya e'lektromagnitnogo polya v rabo-chej kamere [Electrodynamic and thermal properties of microwave ovens in various methods and systems of electromagnetic field excitation in the working chamber], Voprosy' elektrotehnologii [Questions of electrotechnology],
2014. No. 2 (3). pp. 28-34.
18. Ginzburg A. S. Raschet i proektirovanie sushil'ny'h ustanovok pishhevoj promy'shlennosti [Calculation and design of drying plants of the food industry], Moscow: Publ. Agropromizdat. 1985. 336 p.
19. Grigor'ev A. D. E'lektrodinamika i mikrovolnovaya tehnika [Electrodynamics and microwave equipment], Saint-Petersburg: Publ. Lan', 2007. 704 p.
20. Rogov I. A. E'lektrofizicheskie, opticheskie i akusticheskie harakteristiki pishhevy'h produktov [Electro-physical, optical and acoustic characteristics of food products], Moscow: Legkaya i pishhevaya promy'shlennost'. 1981.288 p.
21. Patent No. 2161505. Sposob sterilizacii materialov pri pomoshhi SVCh-izlucheniya s vy'sokoj napryaz-hennost'yu polya i ustrojstvo dlya realizacii sposoba [Method of sterilization of materials by means of microwave radiation with high field strength and device for realization of the method] [Jelektronnyj resurs]. Available at: http://ru-patent.info/21/60-64/2161505.html.
22. Pchel'nikov Yu. N., Sviridov V. T. E'lektronika sverhvy'sokih chastot [Ultrahigh frequency electronics], Moscow: Radio i svyaz'. 1981. 96 p.
23. Strekalov A. V., Strekalov Yu. A. E'lektromagnitny'e polya i volny' [Electromagnetic fields and waves], Uchebnoe posobie. Moscow: Publ. RIOR: INFRA-M, 2014. 375 p.
24. Zhdankin G. V., Novikova G. V., Mihajlova O. V. Analiz razrabotanny'h sverhvy'sokochastotny'h ustanovok dlya termoobrabotki sy'r'ya [Analysis of the developed ultra-high-frequency plants for heat treatment of raw materials], Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Kazan state agrarian University], Kazan' : FGBOU VO «Kazanskij GAU». 2016. No. 4 (42). pp. 89-93.
Submitted 17.07.2018, revised 28.08.2018.
About the authors: Tarakanov Dmitry Alexandrovich, senior lecturer
Address: Nizhny Novgorod state of engineering-economics university, 606340, Russia, Knyaginino,
Oktyabrskaya Str., 22a
E-mail: ngiei-ohrana_truda@mail.ru
Spin-код: 5660-7456
Mikhailova Olga Валентиновна, Dr. Sci. (Engineering), Professor
Address: Nizhny Novgorod state of engineering-economics university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a E-mail: ds17823@yandex.ru Spin-код: 9437-0417
Korobkov Alexey Nikolaevich, Ph. D. (Engineering), senior lecturer
Address: Nizhny Novgorod state of engineering-economics university, 606340, Russia, Knyaginino,
Oktyabrskaya Str., 22a
E-mail: aleksey.korobkovs52@mail.ru
Spin-код: 6740-5994
Contribution of the authors:
Dmitry A. Tarakanov: performed patent information search, analysis of scientific literature, studied the dynamics of heating mastitis milk.
Olga V. Mikhailova: the scientific management, together with the co-authors formulated the purpose, objectives of the study, made the matrix of experiment planning and received regression models of the technological process of mastitis milk disinfection.
Alexey N. Korobkov: together with the scientific supervisor proposed the design of the cylindrical resonator, fluorop-lastic distributor and shell-and-tube heat exchanger.
All authors have read and approved the final manuscript.
05.20.02 УДК 637.02
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И СВЧ-УСТАНОВКИ С КОНИЧЕСКИМИ РЕЗОНАТОРАМИ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ НЕПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
© 2018
Георгий Валерьевич Жданкин, кандидат экономических наук, доцент ФГБОУ ВО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», г. Нижний Новгород (Россия)
Галина Владимировна Новикова, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», Княгинино (Россия)
Марьяна Валентиновна Белова, доктор технических наук, зав. научно-учебной лабораторией электротехнологий ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», Княгинино (Россия)
Вера Владимировна Гоева, доцент кафедры «Технические и биологические системы» ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», Княгинино (Россия)
Аннотация
Введение: ежегодно в мясной отрасли России накапливается 1 млн тонн непищевых отходов, и только 20 % подвергается переработке, следовательно, является актуальной в настоящее время.
Материалы и методы: системный анализ объемных резонаторов. Вычисление мод резонатора и добротности, построение распределения ЭМП осуществляли в CST MicrowaveStudio.
Результаты: целью настоящей работы является разработка технологии термообработки и обеззараживания непищевых отходов животного происхождения в непрерывном режиме и радиогерметичной сверхвысокочастотной установки для ее реализации при сниженных эксплуатационных затратах. Научные задачи: проанализировать разработанные сверхвысокочастотные резонаторы для термообработки непищевых отходов животного происхождения; разработать радиогерметичную сверхвысокочастотную установку с коническими резонаторами для обеззараживания и термообработки сырья в непрерывном режиме; разработать операционно-технологическую схему термообработки сырья в рабочей камере; обосновать конструкционно-технологические параметры сверхвысокочастотной установки, обеспечивающей снижение эксплуатационных затрат и улучшение микробиологических показателей.
Обсуждение: СВЧ-установка с коническими резонаторами для термообработки непищевых отходов животного происхождения содержит внутри сферического экранирующего корпуса с загрузочным патрубком соосно расположенный диэлектрический диск с направляющими лопатками и толкателями, насаженный на вал электропривода. К нижней полусфере корпуса по периметру пристыкованы круговые конические резонаторы, оси которых совпадают с радиальными осями корпуса. Внутри резонаторов соосно установлены диэлектрические направляющие лотки с упорными элементами и с пружинами с радиопрозрачным покрытием. Магнетроны с излучателями и волноводами установлены на стыках сферического корпуса и круговых конических резонаторов, имеющих выгрузные отверстия, диаметром менее четверти длины волны. Диаметр сферического корпуса и параметры конических резонаторов согласованы с длиной волны.
55
