CC BY
23
XXXXXXXXX electrical technologies, electrical equipment XXXXXXXXX XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX
Научная статья
УДК 621.385.6, 633.791
Б01: 10.24412/2227-9407-2023-8-44-55
Совершенствование хмелесушилки с СВЧ-энергоподводом для сохранения потребительских свойств хмеля
Наталья Геннадьевна Горячева1, Марьяна Валентиновна Просвирякова2, Галина Владимировна Новикова33, Ольга Валентиновна Михайлова 4, Владимир Федорович Сторчевой5
1 Академия гражданской защиты МЧС, Новогорск, Россия
2 5Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, Москва, Россия
3 4Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия 1 yodgee@mail.ги, ЪПр$://огс1й.о^/0000-0003-4874-3922,
[email protected], https://orcid.org/0000-0003-3258-260x [email protected]://orcid.org/0000-0001-9222-6450 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9231-4733 5v_stoгchevoy@mail.т, https://orcid.org/0000-0002-6929-3919
Аннотация
Введение. Целью настоящей работы является совершенствование конструкционного исполнения хмелесушилки с СВЧ-энергоподводом, позволяющей реализовать трехэтапную равномерную сушку свежеубранного хмеля в непрерывном режиме. Задачи исследования: разработать конструкцию барабанной хмелесушилки; обосновать диаметр, частоту вращения барабанов и производительность сушилки, согласовав с критерием подвижности шишек хмеля.
Материалы и методы. Для построения модели процесса сушки использовано многофакторное статистическое планирование экспериментов, получив систему уравнений в виде многочленов ^й степени. Эффективные значения критериев определены решением системы уравнений при заданных значениях факторов. Результаты и обсуждение. СВЧ-конвективная хмелесушилка содержит состыкованные между собой неферромагнитные цилиндрические электроприводные барабаны, зафиксированные с помощью бандажей, размещенные соосно в неферромагнитном цилиндрическом экранирующем корпусе, содержащем загрузочную и приемную емкости. К загрузочной емкости пристыкован керамический перфорированный желоб, направленный внутрь барабана под наклоном. Внутри, вдоль всех барабанов установлен общий перфорированный винтовой шнек, с шагом витка не более двух глубин проникновения волны, а витки на уровне стыков барабанов, выполненные из неферромагнитного материала, образуют барабаны-резонаторы при направлении в них излучателей от магнетронов воздушного охлаждения. Магнетроны первого и последнего барабанов-резонаторов расположены со сдвигом на 120 градусов по периметру оснований корпуса. В средний резонатор излучатели направлены от магнетронов, расположенных по периметру корпуса в сторону радиопрозрачной кольцевой вставки в обечайке барабана. На обечайке корпуса над каждым барабаном расположены воздухоотводы, под каждым барабаном расположены воздуховоды от тепловой пушки, а по периметру обечайки барабанов-резонаторов закреплены зубчатые венцы, входящие в сцепление с ведущими шестернями, установленными на валы электроприводов.
Заключение. С учетом скорости витания шишек хмеля и зная отношение массы шишек хмеля, ссыпающейся с витков шнека при вращении барабана-резонатора в единицу времени, скорректированы диаметр и шаг витка
Г., Просвирякова М. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Сторчевой В. Ф., 2023 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
© Горячева Н.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА XXXXXXX
шнека. Шишки хмеля поднимаются вверх вместе с барабаном, тепло передается конвективно от омывающего его теплоносителя, а внутренние слои хмеля нагреваются за счет воздействия ЭМПСВЧ. Энергия, затрачиваемая на поляризацию шишек хмеля, генерируется в них в виде теплоты за счет токов смещения. Вследствие появления стоячих волн, когда длина волны соизмерима с размерами шишки хмеля, возможен не равномерный нагрев, поэтому шаг витка шнека выбран не более двух глубин проникновения волны. Параметры хмеле-сушилки и режимы работы рассчитаны на производительность, равную 100 кг/ч.
Ключевые слова: критерии подвижности, свежеубранные шишки хмеля, скорость витания, скорость воздушного потока, цилиндрические барабаны-резонаторы, частота вращения барабана
Для цитирования: Горячева Н. Г., Просвирякова М. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Сторчевой В. Ф. Совершенствование хмелесушилки с СВЧ-энергоподводом для сохранения потребительских свойств хмеля // Вестник НГИЭИ. 2023. № 8 (147). С. 44-55. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-8-44-55
Improvement of a microwave-powered hop dryer to preserve the consumer properties of hops
Natalia G. Goryacheva1, Mariana V. Prosviryakova2, Galina V. Novikova3^, Olga V. Mikhailova4, Vladimir F. Storchevoy5
1 Academy of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Russia, Novogorsk, Russia
2 5 Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russia
3'4 Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, Knyaginino, Russia 1 [email protected], https://orcid.org/0000-0003-4874-3922, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3258-260x [email protected]://orcid.org/0000-0001-9222-6450 [email protected], https://orcid.org/0000-0001-9231-4733 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6929-3919
Abstract
Introduction. The purpose of this study is to improve the structural design of a hop dryer with microwave energy supply, which allows for the three-stage uniform drying of freshly harvested hops in continuous mode. The research objectives are to develop the design of a drum hop dryer, justify the diameter, rotation speed of the drums, and the drying capacity of the dryer, in accordance with the hop cone mobility criterion.
Materials and methods. To build a model of the drying process, multifactorial statistical experimental design was used, resulting in a system of equations in the form of polynomials of degree k. The effective values of criteria were determined by solving the system of equations for the given values of factors.
Results and discussion. The microwave convective hop dryer consists of interconnected non-ferromagnetic cylindrical electrically driven drums, fixed with bandages, placed coaxially in a non-ferromagnetic cylindrical shielding housing containing the loading and receiving tanks. A ceramic perforated trough is attached to the loading tank and directed inside the drum at an angle. Inside, along all the drums, a common perforated screw thread is installed, with a pitch not exceeding two wavelengths, and the threads at the junctions of the drums, made of non-ferromagnetic material, form resonator drums when radiators from air-cooled magnetrons are directed into them. The magnetrons of the first and last resonator drums are located with a 120-degree shift around the perimeter of the housing bases. The radiators are directed towards the middle resonator from the magnetrons located around the perimeter of the housing towards the radio-transparent annular insert in the drum casing. Air vents are located on the casing above each drum, air ducts from the heat gun are located under each drum, and toothed crowns are fixed along the perimeter of the drum resonators on the rim of the casing, engaging with the driving gears installed on the drive shafts.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 8 (147). C. 44-55. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 8 (147). P. 44-55. ISSN 2227-9407 (Print)
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT
XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
Conclusion. Taking into account the speed of hop cone spinning and knowing the ratio of the mass of hop cones discharged from the screw coils per unit of time when the drum resonator rotates, the diameter and pitch of the screw coil are adjusted. Hop cones rise upwards along with the drum, heat is convectively transferred from the coolant washing it, and the inner layers of hops are heated due to the impact of electromagnetic microwave radiation. The energy spent on polarizing the hop cones is generated in them as heat due to displacement currents. Due to the appearance of standing waves when the wavelength is commensurate with the size of the hop cone, non-uniform heating is possible, therefore the pitch of the screw coil is chosen to be no more than two penetration depths of the wave. The parameters of the hop dryer and operating modes are designed for a productivity of 100 kg/h.
Keywords: freshly harvested hop cones, soaring speed, mobility criteria, drum rotation frequency, air flow velocity, cylindrical resonator drums
For citation: Goryacheva N. G., Prosviryakova M. V., Novikova G. V., Mikhailova O. V., Storchevoy V. F. Improvement of a microwave-powered hop dryer to preserve the consumer properties of hops // Bulletin NGIEI. 2023. № 8 (147). P. 44-55. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-8-44-55
Введение
Шишки хмеля являются трудным объектом сушки, чтобы сохранить максимум ценных веществ, необходимо соблюдать особые технологические режимы, которые должны быть реализованы в конструкционных особенностях хмелесушилки. Обеспечить сушку свежеубранного хмеля без потерь и с сохранением потребительских свойств высушенного хмеля - важнейшая задача хмелеводческих хозяйств АПК. При этом возникает проблема - низкая энергоэффективность существующих хмелесуши-лок с конвективным подводом тепла и ухудшение биохимического состава хмеля. Анализ существующих способов и технических средств, предназначенных для сушки сырья АПК, показывает, что высушить сырье с высокой влажностью за один пропуск через сушильную камеру можно лишь комбинированными способами, например, СВЧ-конвективный способ при псевдоожиженном состоянии хмеля [1; 2].
На основании анализа существующих сушилок сырья АПК [3; 4; 5] и электрофизических параметров хмеля разработана СВЧ-конвективная хме-лесушилка барабанного типа и обоснован способ управления экспозицией его сушки. При этом учитывали, что технологические процессы трехэтапной сушки хмеля должны протекать с максимально возможными скоростями при минимальных материальных энергетических затратах. Причем необходимо поддержать требуемые режимы сушки хмеля. Для этого необходимо выбрать такие параметры процесса, при которых он протекает наилучшим образом по выбранным критериям. Выбор различных режимов сушки свежеубранного хмеля в раз-
ных зонах хмелесушилки обуславливается наличием факторов, варьируя их, можно изменить пределы и влиять на процесс СВЧ-конвективного способа сушки. Для характеристики процесса сушки хмеля выбраны критерии эффективности, которые зависят от способа управления процессом. Цель управления сводится к минимизации длительности процесса сушки хмеля при обоснованной конструкции сушильной камеры и расхода тепла на удаление влаги, т. е. потерь тепла с обеспечением сохранения потребительских свойств. Математически задачу оптимального управления можно представить в виде уравнения, описывающего процесс; в виде критериев качества; в виде ограничений на управляющие функции.
Выбор конструкционного исполнения СВЧ-конвективной сушилки зависит от возможности обеспечения электромагнитной безопасности и равномерной сушки хмеля при высокой напряженности электрического поля, обеспечивающей обеззараживание шишек хмеля, и требований к качеству высушенного хмеля. Температуру конвективного воздуха следует принимать максимально допустимую для хмеля - 65-70 °С. Известно, что альфа-кислота -наиболее ценная для пивоварения часть горьких веществ. Компоненты горьких веществ легко окисляются кислородом воздуха, и особенно этот процесс увеличивается при повышении температуры. В течение 1 часа при температуре 110 °С окисляется 67,5 % альфа-кислоты, 59 % бета-кислоты [6]. Наиболее интенсивно процесс окисления происходит в первый час нагрева шишек хмеля. Поэтому рекомендуется проводить трехэтапную сушку. Свеже-убранный хмель с высокой влажностью 78-82 % по-
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
падает в первую зону с низкои температурой, по мере уменьшения влажности хмеля температура в последующих зонах увеличивается. Таким образом, можно интенсифицировать процесс сушки хмеля и при этом обеспечить псевдоожиженное состояние.
СВЧ-конвективная хмелесушилка является управляемым объектом, позволяющим регулировать режимы сушки в каждой зоне в допустимых пределах с целью получения заданного качества высушенного хмеля. Технико-экономические показатели ее эксплуатации во многом зависят от того, как задается режим сушки свежеубранного хмеля. Математический подход, при котором формулируется технико-экономический критерий оптимизации и определяются управляющие параметры, рассмотрен в работах Чесунова В. М.1 По его методике для установившегося процесса сушки хмеля математическая модель представлена как система дифференциальных уравнений, предусматривающих изменения во времени: влагосодержания хмеля; относительной влажности воздуха; массы сухого воздуха; тепловых расходов СВЧ-конвективной хмелесу-шилки. С учетом начальных условий можно решить систему уравнений изменения влагосодержания хмеля и относительной влажности воздуха и получить продолжительность процесса сушки хмеля в каждой зоне СВЧ-конвективной хмелесушилки. При этом управление температурой хмеля является решающим, но для сохранения потребительских свойств хмеля необходимы мягкие режимы сушки с низкой температурой, т. е. это технологическое ограничение параметров управления. Учтены также ограничения по влагосодержанию и интенсивности воздухообмена. Основным критерием оптимальности процесса сушки хмеля следует считать стоимость сушки, отнесенную к единице высушенного хмеля. Принятый критерий оптимальности является комплексным, включающим критерии продолжительности сушки и экономии тепла. Интенсификация сушки предусматривает повышение производительности хмелесушилки, снижение удельных расходов тепла и металлоемкости оборудования, сокращение затрат на эксплуатацию при сохранении потребительских свойств хмеля [7].
Наиболее близкой по технической сущности является барабанная стационарная сушилка непрерывного действия, где направление движение агента сушки прямоточное2. Сушилка содержит вращающийся барабан, оборудованный специальными лопастями с полочками для перемешивания сырья,
и механизм привода барабана. Барабан снаружи имеет бандажи, которые опираются на ролики, приводящие барабан в движение. Недостаток. Под воздействием конвективного агента сушки происходит высушивание сырья при высоком расходе топлива. Применение такого оборудования для сушки хмеля, имеющего особую структуру, не позволяет сохранить его потребительские свойства.
Прототип. Некоторые узлы разрабатываемой СВЧ-конвективной хмелесушилки и принцип обеспечения непрерывного режима сушки схожи с барабанным сепаратором А1-БЗО, предназначенным для предварительной очистки зерна от крупных примесей в непрерывном режиме. Он содержит электроприводное цилиндрическое сито, размещенное в стационарном корпусе, содержащем патрубки для входа и выхода сырья и подключения аспирации. Внутри сита неподвижно закреплена спиральная лента для транспортирования сырья к выходу. Входной патрубок соединен с наклонным лотком для подачи сырья на сито. Недостатки. В данном оборудовании без существенных изменений конструкционного исполнения, невозможно реализовать трехэтапную сушку хмеля.
Аналогом можно считать хмелесушилку с СВЧ-энергоподводом (заявка № 2022125158, решение о выдаче патента от 01.03.2023 г.), содержащую в полуцилиндрических резонаторах фторопластовые гребенчатые направляющие. Где за счет неферромагнитных емкостей, облицовок торцов фторопластовых гребенчатых направляющих обеспечивается равномерная сушка шишек хмеля при соблюдении электромагнитной безопасности. Недостатки. Имеет технологические сложности в изготовлении фторопластовых гребенчатых направляющих и их монтажа.
Целью настоящей работы является совершенствование конструкционного исполнения хмелесу-шилки с СВЧ-энергоподводом, позволяющей реализовать трехэтапную равномерную сушку свеже-убранного хмеля при сниженных эксплуатационных затратах в непрерывном режиме.
В связи с поставленной целью в научной школе решаются следующие научные задачи:
- обосновать системы управления продолжительностью сушки хмеля по характеру изменения его температуры;
- разработать конструкционное исполнение барабанной сушилки с псевдоожиженным слоем хмеля;
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
- обосновать радиус и частоту вращения барабанов в трех зонах, согласовав с критерием подвижности шишек хмеля.
Материалы и методы
Оптимизация сушки хмеля сводится к поиску условий, обеспечивающих интенсивную сушку, выбор модели процесса, его управляемость. Критерием оптимизации является скорость сушки при выбранных факторах и интервалы их варьирования. Для построения модели процесса сушки использовано многофакторное статистическое планирование экспериментов, получив систему уравнений в виде многочленов k-й степени [8; 9; 10; 11]. Эффективные значения критериев определены решением системы уравнений при заданных значениях факторов. Реализованы следующие направления интенсификации процесса СВЧ-конвективной сушки хмеля: увеличение температуры конвективного воздуха до предельного значения (70 °С), при котором потребительские свойства хмеля сохраняются; обеспечение высокой напряженности электрического поля (1,2-4 кВ/см) сантиметровых волн (длина волны 12,24 см); применение перемешивания хмеля в щадящем режиме. Например, применение псевдо-ожиженного слоя хмеля, позволяющего увеличить поверхность контакта фаз, коэффициент теплоотдачи [12].
Результаты и обсуждение
Основными рабочими органами СВЧ-конвективной хмелесушилки непрерывно-поточного действия с барабанами-резонаторами являются перфорированные неферромагнитные цилиндрические электроприводные барабаны 4, 10, 16, состыкованные между собой в горизонтальной плоскости и фиксированные с помощью бандажей 30, 27, 24. Барабаны размещены соосно в неферромагнитном цилиндрическом экранирующем корпусе 2. К переднему основанию цилиндра 2 прикреплена неферромагнитная загрузочная емкость 1 с задвижкой, а над открытым сегментом 20 тыльного основания 19 цилиндра 2 установлена неферромагнитная приемная емкость 21 с задвижкой. На обечайке цилиндрического корпуса 2 сверху над каждым барабаном 4, 10, 16 расположены воздухоотводы -запредельные волноводы 3, 9, 15, а снизу против движения сырья, под каждым перфорированным барабаном расположены воздуховоды 28, 25, 22 от тепловой пушки3.
Внутри, вдоль всех цилиндрических перфорированных барабанов установлен общий перфори-
рованный винтовой шнек 6, с шагом витка не более двух глубин проникновения волны (5-7 см). На уровне стыков барабанов витки шнека 8, 14 выполнены из неферромагнитного материала, а остальные витки шнека 6 выполнены из радиопрозрачного материала (фторопласта).
Технологический процесс сушки хмеля происходит следующим образом. Закрыть заслонки в загрузочной 1 и приемной 20 неферромагнитных емкостях. Загрузить шишки хмеля в загрузочную емкость 1. Включить электроприводы (указаны ведущие шестерни 23, 26, 29) барабанов с последовательностью 16, 10, 4. Включить все тепловые пушки с вентиляторами для подачи конвективного тепла в резонаторы 4, 10, 16 через соответствующие неферромагнитные воздуховоды 28, 25, 22. Открыть заслонку в загрузочной емкости 1, после чего све-жеубранный хмель по перфорированному керамическому желобу 5 попадает между витками шнека 6 в первый перфорированный электроприводной барабан-резонатор 4. Соответствующие объемные резонаторы (барабаны-резонаторы) образованы между обечайками барабанов 4, 10, 16, неферромагнитными витками 8, 14 шнека 6 и основаниями цилиндрического корпуса 2. Из-за того, что основаниями смежных перфорированных цилиндров являются неферромагнитные витки 8, 14 неподвижного шнека 6 и обечайка вращается, т. е. между ними имеется зазор, поэтому резонатор можно отнести к квазицилиндрическому резонатору.
По периметру обечайки барабанов-резонаторов закреплены зубчатые венцы 7, 11, 17, входящие для сцепления с соответствующими ведущими шестернями 29, 26, 23, установленными на валы электроприводов. Бандажи 24, 27, 30, расположенные на стыке барабанов-резонаторов, обеспечивают фиксацию при их вращении. В средний барабан-резонатор 10 излучатели направлены через волноводы от магнетронов 12, расположенных со сдвигом на 120 градусов по периметру экранирующего корпуса в сторону радиопрозрачной кольцевой вставки, имеющейся в обечайке барабана 10. Тогда следует включить вентиляторы с магнетронами 31 воздушного охлаждения. Как только сырье окажется за счет вращения барабана 4 вокруг стационарного винтового шнека 6 во втором барабане-резонаторе 10, включить вентиляторы с магнетронами 12, далее в третьем резонаторе 16 включить магнетроны 18 с вентиляторами на необходимую мощность генераторов.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
а / a
L lllllllii I
Л Л Л Л Л Л 11 if
б / b
в /с
г / d д / e
Рис. 1. СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с барабанами-резонаторами: а) общий вид в разрезе с позициями; б) перфорированный барабан; в) перфорированный керамический желоб; г) винтовой шнек; д) зубчатый венец; 1 - загрузочная емкость с задвижкой; 2 - цилиндрический экранирующий корпус; 3, 9, 15 - воздухоотводы-запредельные волноводы; 4, 10, 16 - перфорированные цилиндрические неферромагнитные барабаны; 5 - керамический перфорированный желоб; 6 - перфорированный винтовой шнек; 7, 11, 17 - венцы; 8, 14 - неферромагнитные витки шнека; 12, 18, 31 - магнетроны; 13 - радиопрозрачная кольцевая вставка; 19 - основание экранирующего корпуса;
20 - выгрузной открытый сегмент; 21 - неферромагнитная приемная емкость; 22, 25, 28 - воздуховоды от тепловой пушки; 23, 26, 29 - зубчатые ведущие шестерни; 24, 27, 30 - бандажи для фиксации барабанов Fig. 2. Microwave convective hop dryer of continuous-flow action with resonator drums: a) general view in section with positions; b) a perforated drum; c) a perforated ceramic trough; d) a screw ; e) a toothed crown; 1 - loading container with valve; 2 - cylindrical shielding housing; 3, 9, 15 - air vents-transcendental waveguides; 4, 10, 16 - perforated cylindrical non-ferromagnetic drums; 5 - ceramic perforated trough; 6 - perforated screw auger; 7, 11, 17 - crowns; 8, 14 - non-ferromagnetic screw coils; 12, 18, 31 - magnetrons; 13 - radio-transparent annular insert; 19 - base of the shielding housing; 20 - unloading open segment; 21 - non-ferromagnetic receiving tank; 22, 25, 28 - air ducts from the heat gun; 23, 26, 29 - gear drive gears; 24, 27, 30 - bandages for fixing the bars
Источник: разработан авторами
Винтовой шнек 6 содержит неферромагнитные витки 8, 14, которые являются основаниями смежных барабанов 4, 10 и 10, 16. Неферромагнитные витки шнека разделяют рабочую камеру на три зоны, где предусмотрены разные технологические режимы трехэтапной сушки хмеля. После чего во всех барабанах-резонаторах 4, 10, 16 возбуждаются электромагнитные поля сверхвысокой частоты определенной напряженности электрического поля (ЭМПСВЧ, стоячие волны в каждом резонаторе). Шишки хмеля за счет токов поляризации начинают
эндогенно нагреваться с разной скоростью, и испаренная влага удаляется через перфорацию барабанов-резонаторов и соответствующие воздухоотводы - запредельные волноводы 3, 9, 15. Запредельные волноводы, диаметром менее четверти длины волны (3,08 см), и экранирующий цилиндрический корпус обеспечивают электромагнитную безопасность.
Известно, что мода Н0ц в цилиндрическом резонаторе обладает особым свойством, не требуется наличие контакта между боковой стенкой и основанием [13; 14]. В стенках резонатора возбужда-
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
ются только токи, текущие по окружности цилиндра. Благодаря этому свойству, между неферромагнитным витком 8 шнека 6 и обечайкой цилиндрического барабана 4 может существовать зазор. Поэтому такое конструкционное исполнение всех барабанов 4, 10, 16 можно отнести к квазицилиндрическим резонаторам. В них можно обеспечить разную дозу воздействия ЭМПСВЧ, регулируя мощностью генераторов и частотой вращения барабанов. Барабаны вращаются за счет сцепления ведущих шестерней с соответствующими венцами 29, 26, 23.
Выбранный шаг витков шнека 6 не более двух глубин проникновения волн исключает неравномерность нагрева шишек хмеля [15].
Большое влияние на сушку оказывают конструкционные параметры сушилки, такие как диаметр барабана, размеры и форма витков шнека. На продолжительность процесса сушки в каждой зоне влияет частота вращения соответствующего барабана-резонатора и количество хмеля, находящегося одновременно в каждом барабане. Сушка хмеля во взвешенном состоянии всегда протекает более интенсивно, чем в неподвижном слое, так как скорость потока теплоносителя относительно шишек хмеля во взвешенном состоянии больше, чем скорость теплоносителя, проходящего в неподвижном слое сырья. Вся поверхность шишки хмеля участвует в теплообмене. При вращении барабана шишки хмеля перемешиваются, отсутствуют застойные зоны и равномерно отводятся испарившиеся из шишек хмеля частицы влаги. За счет эндогенного нагрева при воздействии ЭМПСВЧ связанная влага быстрее испаряется.
Продолжительность сушки и расход тепла можно определить по методике М. М. Севернева4, зная скорость сушки и изменение температуры хмеля в каждом периоде.
Рис. 2. Схема барабана к определению критерия подвижности Fig. 2. Drum diagram for determining the mobility criterion Источник: составлен по материалам Севернева М. М 4
Время свободного падения шишек хмеля с обечайки барабана в межвитковое пространство:
'а =7 2 •( Б - к) / я — ^ 2 •( 2 • Я • 81И /-к )/я, (1) где О - диаметр витка шнека; h — проекция сегмента витка шнека на вертикальную ось; Я - радиус барабана-резонатора; / — угол ссыпания шишек хмеля (45 градусов).
Время относительного покоя можно определить как отношение длины дуги (I), которую проходят шишки хмеля вместе с барабаном, к окружной скорости 96:
ттк — I/&б, I — 2-ж/, Зб — 2-Я-ж- п, ттк — //ж- п, (2)
где п - частота вращения барабана, об/мин.
Критерий подвижности шишек хмеля: ж-п
I = ■
р
■•^2-( 2-R-sin р-h g. (3)
Разработанная хмелесушилка имеет диаметр цилиндрического барабана-резонатора 85,66 см = 7^12,24 = 85,66 см), диаметр витка шнека 79,56 см (13^/2 = 79,56 см), шаг витка 7 см (2-Д = = 2-3,5 = 7 см), где X - длина волны, Д — глубина проникновения волны.
Скорость вращения («кр) барабана-резонатора не должна превышать величину:
акр <д/g/4-R
= д/9,81/ 4-3,142 -0,4283 = 0,76 1/с; (4) п^ — 0,76 • 30 ± ж — 7,28 об / мин.
В каждой зоне сушки скорость вращения барабанов разная, она увеличивается к выходу. Они должны вращаться с угловой скоростью (ю) меньшей критической: ю = ф • юкр. Коэффициент ф изменяется от 0,1 до 0,8 в зависимости от зоны сушки и влажности шишек хмеля [16].
Тогда критерий подвижности шишек хмеля составляет
г_ 3,14-7,28
1 — х
45
х^ 2-(2 • 0,43 • 8т 45 - 0,35)^ 9,81 — 0,12.
(5)
Повысить критерии подвижности сырья можно путем увеличения диаметра и частоты вращения барабана. Но это вызывает увеличение центробежной силы, при определенной величине которой шишки хмеля перестают ссыпаться, структура шишек разрушается.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
Основным показателем аэродинамических свойств хмеля является скорость витания (когда сила сопротивления слоя хмеля потоку теплого конвективного воздуха становится равной весу шишек). Критическая скорость для хмеля зависит от диаметра шишек и коэффициента парусности. Сила сопротивления (К) зависит от динамического воздействия потока на шишки хмеля и определяется формулой Ньютона5:
F = |. рв S'il,
(6)
где ^ - коэффициент аэродинамического сопротивления; - площадь проекции частицы на плоскость, нормальную к вектору относительно ее скорости, м2;
рв - плотность воздуха, кг/м3 (1,18 кг/м3); Я - относительная скорость движения шишек хмеля, м/с.
Скорость воздушного потока, при которой шишки хмеля находится во взвешенном состоянии (скорость витания) [16]:
5 =7 4-я \рш-р. )- й + 3- 1;-рв = = д/4-9,81 •(25 -1,18) -0,05 ^3 -1,18 = (7)
= у!46,74 ^ 330-3,54 = 0,2 м / с, где й - эквивалентный диаметр шишки хмеля, м; рш - плотность шишки хмеля, кг/м3.
Характеристики шишек хмеля приведены в табл. 1 [17], на основании которых вычислена скорость витания шишек хмеля по средним значениям.
Табл. 1. Характеристики шишек хмеля Table 1. Characteristics of hop cones
Длина Объем Длина Масса Плотность Количество ши- Масса шишек
шишек, см/ Length шишек, см3/ стержня, см/ шишки, г/ хмеля, кг/м3/ шек в кисти, шт./ в кисти, г/
Volume Rod length, Weight Hop density, Number of cones Mass of bumps
cones, cm3 cm cones, g kg/m3 in the brush, pcs in the brush, g
cones, cm
3,8-4,7 48-50 3-3,6 0,5-1,1 25-30 15-28 0,2-1,8
Источник: составлен авторами по данным Милоста Г. М.
Производительность барабана непрерывного действия можно определить:
Q = voc-3600-п-D2 .урш, (8)
где s - площадь поперечного сечения хмеля в барабане, м2; ф - коэффициент загрузки сырья (ф = 0,2-0,28); voc - осевая скорость смещения сырья, м/с (voc = 0,006 м/с).
Q = 0,006-3600-3,14-0,852 -0,28-30*4 =
, , ' , (9)
= 102 кг / ч.
Производительность хмелесушилки при таких размерах барабанов и коэффициента загрузки 0,28 составляет в пределах 100 кг/ч. Электродинамические параметры барабана-резонатора, исследованные в программе CST Microwave Studio [18; 20; 21], показывают, что напряженность электрического поля составляет в пределах 1,2-2 кВ/см, а собственная добротность достигает 7000.
Заключение
Итак, скорость витания шишек хмеля в среднем составляет 0,2 м/с. Зная отношение массы шишек хмеля, ссыпающейся с витков шнека в процессе
вращения барабана-резонатора в единицу времени, можно корректировать диаметр и шаг витка шнека. Когда шишки хмеля поднимаются вверх вместе с барабаном, тепло передается конвективно от омывающего его теплоносителя, а внутренние слои нагреваются за счет воздействия ЭМПСВЧ. Энергия, затрачиваемая на поляризацию шишек хмеля, генерируется в них в виде теплоты за счет токов смещения. Это ценное свойство СВЧ-энергии - способность концентрироваться в малом объеме (в шишке), масса которой нагревается интенсивно и равномерно, заложено при проектировании хмеле-сушилки с СВЧ-энергоподводом. Вследствие появления стоячих волн, когда длина волны (12,24 см) соизмерима с размерами шишки хмеля (4-7 см), возможен неравномерный нагрев, поэтому шаг витка шнека должен быть не более две глубины проникновения волны. При расчете перфорированного барабана следует учитывать, что основаниями являются перфорированные витки шнека, расположенные под наклоном. Ориентировочно можно принять производительность равной 100 кг/ч.
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC lRlCAL EQUlPMENl
XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
Примечания:
1 Чесунов В. М., Захарова А. А. Оптимизация процессов сушки в легкой промышленности. М. : Легпромбытиздат, 1985. 112 с.
2 Баум А. Е., Резчиков В. А. Сушка зерна. М. : Колос, 1983. 223 с.
3 Кошевой Е. П. Технологическое оборудование предприятий производства растительных масел. СПб. : ГИОРД, 2001. 368 с.
4 Севернев М. М., Терпиловский К. Ф. Механическое обезвоживание и термическая сушка высоковлажных кормов. М. : Колос, 1980. 149 с.
5 Бутковский В. А., Мельников Е. М. Технология мукомольного крупяного и комбикормового производства. М. : Агропромиздат, 1989. 464 с.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Иванова А. О., Дементьев Д. А. Состояние хмелеводства в Чувашской Республике // Международный научный сельскохозяйственный журнал. 2019. № 2. С. 20-25.
2. Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Горячева Н. Г., Михайлова О. В., Новикова Г. В. Патент № 27749612 РФ, МПК С12С3/02; F26B3. Сверхвысокочастотная хмелесушилка с поярусно расположенными резонаторами; заявитель и патентообладатель РГАУ - МСХА имени К. А. Тимирязева (RU). № 2021129382; заявл. 08.10.2021. Бюл. № 18 от 24.06.2022.
3. Belova M. V., Mikhailova O. V., Novikova G. V., Zaitsev S. P., Belov E. L. Development of microwave devices with toroidal resonators for treatment of raw materials // Journal of Environmental Treatment Techniques. 2019. № 7 (Special Issue). P. 1215-1223.
4. Prosviryakova M. V., Storchevoy V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V., Storchevoy A. V. Continuous-flow hop dryer with endogenous convection heat producers // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled. 2022. V. 1052 (1). 012141.
5. Джаббаров И. А. Совершенствование системы управления экспозицией сушки зерна в аэрожелобной сушилке. Автореф. диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Чебоксары : Чувашская ГСХА, 2020, 20 с.
6. Гернет М. В., Лазарева И. В., Грибкова И. Н. Исследование качества различных сортов хмеля // Актуальные вопросы индустрии напитков. 2019. № 3. С. 54-59.
7. Горячева Н. Г. Обоснование параметров СВЧ-конвективной хмелесушилки с металлодиэлектриче-скими резонаторами // Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). С. 45-57.
8. Мурашко В. С. Ротатабельное планирование многофакторного эксперимента второго порядка : практикум по курсу «Основы САПР». Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 59 с.
9. Доценко А. В. Оптимизация параметров установки СВЧ-диэлектрического нагрева, работающей в периодическом режиме // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2006. № 40. С. 136-138.
10. Дунаева Т. Ю. Применение методов математического моделирования для оптимизации сушильных установок СВЧ диэлектрического нагрева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. Т. 1. № 1 (10). С. 137-141.
11. Казарцев Д. А. Разработка общих видов математических моделей сушки пищевых продуктов с СВЧ энергоподводом на основе законов химической кинетики гетерогенных процессов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2021. Т. 83. № 3. С. 17-22.
12. Лакомкин В. Ю., Смородин С. Н., Громова Е. Н. Гидродинамика и тепло, -массообмен в газодисперсных потоках. СПб., ВШТЭ, 2017. 57 с.
13. Баскаков С. И. Электродинамика и распространения радиоволн : учебное пособие. М. : URSS. 2012.
416 с.
14. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны: Учебное пособие. М. : РИОР: ИНФРА-М, 2014. 375 с
15. Падусова Е. В. Шарангович С. И. Расчет диэлектрических волноводов и объемных резонаторов. Томск, 2018. 103 с.
16. Ивашов В. Н. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. М. : Колос, 2001. 552 с.
52
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА XXXXXXX
17. Смирнов П. А., Короткое А. В., Короткова З. П., Пушкаренко Н. Н. Прогнозирование урожайности хмеля с помощью корректирующих коэффициентов // Вестник Чувашской государственной сельскохозяйственной академии. 2021. № 2 (17). С. 118-125.
18. Курушин А. А., Пластиков А. Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М. : МЭИ, 2011. 155 с.
19. Дерачиц Д. С., Кисель Н. Н. Грищенко С. Г. Моделирование на базе САПР CST Microwave Studio фильтра высоких частот // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3 (164). С. 257-265.
20. Хасанов А. С. Анализ электромагнитных полей с использованием среды CST Microwave Studio // XXII Туполевские чтения. 2015. С. 808-810.
21. Фатеев А. В. Применение по CST Microwave Studio для расчета микроволновых антенн и устройств СВЧ. Томск, 2014. 120 с.
Дата поступления статьи в редакцию 02.06.2023; одобрена после рецензирования 04.07.2023;
принята к публикации 05.07.2023.
Информация об авторах Н. Г. Горячева - к.т.н., доцент, Spin-код: 3349-8842; М. В. Просвирякова - д.т.н., доцент, Spin-код: 5642-4560; Г. В. Новикова - д.т.н., профессор, Spin-код: 3317-5336; О. В. Михайлова - д.т.н., профессор, Spin-код: 9437-0417; В. Ф. Сторчевой - д.т.н., профессор, Spin-код: 3543-7363.
Заявленный вклад авторов: Горячева Н. Г. - определение оптимальных режимов сушки хмеля, работа над текстом статьи. Просвирякова М. В. - подготовка литературного обзора, работа над составлением концепция повышения эффективности хмелесушилки.
Новикова Г. В. - научное руководство, описание барабанной хмелесушилки.
Михайлова О.В. — построение 3Б-модели хмелесушилки, доработка текста и общих выводов.
Сторчевой В. Ф. - формулирование основных направлений исследований и выводов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Ivanova A. O., Dement'ev D. A. Sostoyanie hmelevodstva v Chuvashskoj Respublike [The state of hop growing in the Chuvash Republic], Mezhdunarodnyj nauchnyj sel'skohozyajstvennyj zhurnal [International Scientific Agricultural Journal], 2019, No. 2, pp. 20-25.
2. Prosviryakova M. V., Storchevoj V. F., Goryacheva N. G., Mihajlova O. V., Novikova G. V. Patent No. 27749612 RF, MPK S12S3/02; F26B3. Sverhvysokochastotnaya hmelesushilka s poyarusno raspolozhennymi rezonatorami [Ultra-high-frequency hop dryer with tiered resonators], zayavitel' i patentoobladatel' RGAU - MSKHA imeni K. A. Timiryazeva (RU). No. 2021129382; zayavl. 08.10.2021. Byul. No. 18 ot 24.06.2022.
3. Belova M. V., Mikhailova O. V., Novikova G. V., Zaitsev S. P., Belov E. L. Development of microwave devices with toroidal resonators for treatment of raw materials, Journal of Environmental Treatment Techniques, 2019, No. 7 (Special Issue), pp. 1215-1223.
4. Prosviryakova M. V., Storchevoy V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V., Storchevoy A. V. Continuous-flow hop dryer with endogenous convection heat producers, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled, 2022, Vol. 1052 (1), 012141.
5. Dzhabbarov I. A. Sovershenstvovanie sistemy upravleniya ekspoziciej sushki zerna v aerozhelobnoj sushilke [Improvement of the grain drying exposure control system in an aerobic dryer. Ph. D. (Engineering) thesis], CHeboksary : CHuvashskaya GSKHA, 2020, 20 p.
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC lRlCAL EQUlPMENl
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
6. Gernet M. V., Lazareva I. V., Gribkova I. N. Issledovanie kachestva razlichnyh sortov hmelya [Quality study of various hop varieties], Aktual'nye voprosy industrii napitkov [Current issues of the beverage industry], 2019, No. 3, pp. 54-59.
7. Goryacheva N. G. Obosnovanie parametrov SVCH-konvektivnoj hmelesushilki s metallodielektricheskimi rezonatorami [Substantiation of parameters of a microwave convective hop dryer with metal-dielectric resonators], VestnikNGIEI [Bulletin NGIEI], 2022, No. 11 (138), pp. 45-57.
8. Murashko V. S. Rotatabel'noe planirovanie mnogofaktornogo eksperimenta vtorogo poryadka [Rotatable planning of a multifactorial experiment of the second order], practical training in the course «Fundamentals of CAD», Gomel' : GGTU im. P. O. Suhogo, 59 p.
9. Docenko A. V. Optimizaciya parametrov ustanovki SVCH-dielektricheskogo nagreva, rabotayushchij v pe-riodicheskom rezhime [Optimization of parameters of a microwave dielectric heating installation operating in a periodic mode], Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Samara State Technical University. Series: Technical Sciences], 2006, No. 40, pp. 136-138.
10. Dunaeva T. Yu. Primenenie metodov matematicheskogo modelirovaniya dlya optimizacii sushil'nyh usta-novok SVCH dielektricheskogo nagreva [Application of mathematical modeling methods for optimization of microwave dielectric heating drying plants], Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], 2006, Vol. 1, No. 1 (10), pp. 137-141.
11. Kazarcev D. A. Razrabotka obshchih vidov matematicheskih modelej sushki pishchevyh produktov s SVCH energopodvodom na osnove zakonov himicheskoj kinetiki geterogennyh processov [Development of general types of mathematical models of food drying with microwave power supply based on the laws of chemical kinetics of heterogeneous processes], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2021, Vol. 83, No. 3, pp. 17-22.
12. Lakomkin V. Yu., Smorodin S. N., Gromova E. N. Gidrodinamika i teplo, -massoobmen v gazodispersnyh potokah [Hydrodynamics and heat - mass transfer in gas-dispersed flows], Saint-Petersburg, VSHTEp 2017p 57 p.
13. Baskakov S. I. Elektrodinamika i rasprostraneniya voln [Electrodynamics and wave propagation], Moscow: URSS, 2012, 416 p.
14. Strekalov A. V., Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves], Textbook, Moscow: INFRA-M, 2014, 375 p.
15. Padusova E. V., Sharangovich S. N. Raschet dielektricheskih volnovodov i ob"emnyh rezonatorov [Calculation of dielectric waveguides and volumetric resonators], Tomsk, 2018, 103 p.
16. Ivashov V. I. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatij myasnoj promyshlennosti. CHast' 1. Oborudo-vanie dlya uboya i pervichnoj obrabotki [Technological equipment of meat industry enterprises. Part 1. Equipment for slaughter and primary processing], Moscow: Kolos, 2001, 552 p.
17. Smirnov P. A., Korotkov A. V., Korotkova Z. P., Pushkarenko N. N. Prognozirovanie urozhajnosti hmelya s pomoshch'yu korrektiruyushchih koefficientov [Hop yield forecasting using correction coefficients], Vestnik CHu-vashskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii [Bulletin of the Chuvash State Agricultural Academy], 2021, No. 2 (17), pp. 118-125.
18. Kurushin A. A., Plastikov A. N. Proektirovanie SVCH ustrojstv v srede CST Microwave Studio [Designing microwave devices in the CST Microwave Studio environment], Moscow: MEI, 2011, 155 p.
19. Derachic D. S., Kisel' N. N. Grishchenko S. G. Modelirovanie na baze SAPR CST Microwave Studio fil'tra vysokih chastot [Modeling based on CAD CST Microwave Studio high-pass filter], Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFU. Technical sciences], 2015, No. 3 (164), pp. 257-265.
20. Hasanov A. S. Analiz elektromagnitnyh polej s ispol'zovaniem sredy CST Microwave Studio [Analysis of electromagnetic fields using the medium CST Microwave Studio], XXII Tupolevskie chteniya. Rossijskij fond funda-mental'nyh issledovanij [XXII Tupolev readings. Russian Foundation for Basic Research], 2015, pp. 808-810.
21. Fateev A. V. Primenenie PO CST Microwave Studio dlya rascheta mikrovolnovyh antenn i ustrojstv SVCH [Application of CST Microwave Studio software for calculation of microwave antennas and microwave devices], Tomsk, 2014. 120 p.
The article was submitted 02.06.2023; approved after reviewing 04.07.2023; accepted for publication 05.07.2023.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Information about the authors: N. G. Goryacheva - Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 3349-8842; M. V. Prosviryakova - Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 5642-4560; G. V. Novikova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 3317-5336; O. V. Mikhailova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 9437-0417; V. F. Storchevoy - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 3543-7363.
The declared contribution of the authors: Goryacheva N. G. - determination of optimal hops drying modes, work on the text of the article. Prosviryakova M. V. - preparation of a literary review, work on drafting the concept of improving the effectiveness of the hop dryer.
Novikova G. V. - scientific guide, description of the drum hop dryer.
Mikhailova O.V. - construction of a 3D model of a hop dryer, revision of the text and general conclusions. Storchevoy V. F. - formulation of the main directions of research and conclusions.
The authors declare that there is no conflict of interest.
