CC BY
24
ings»), Problemi regional'noy energetiki. 2014. No. 2 (25). pp. 1-7.
17. Soldatov V. A., Baranov A. A. Analiti-cheskaya model' transformatorov «Zvezda treugol'nik» i «Zvezda zvezda s nulem» v faznih koordinatah (Analytical model transformers «Star triangle» and «Starstar with zero» in phase coordinates), Dostizheniya nauki i tehniki APK. 2011. No. 1. pp. 76-78.
18. Gusev A. S., Svechkarev S. V., Plodistiy I. L. Universal'naya matematicheskaya model' silovih treh-faznih transformatorov i avtotransformatorov (Universal mathematical model of power three phase transformers and autotransformers), Izvestiya TPU. 2007. No. 4. pp. 77-81.
19. Buryanina N. S., Korolyuk YU. F., Les-nih E. V. Metod rascheta normal'nih rezhimov pri ne-
s immetrichnom zadanii parametrov seti i nagruzok (The method of calculating normal modes with asymmetric setting of the network parameters and loads), Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta im. M. K. Ammosova. 2006. No. 1. pp. 54-57.
20. Novash I. V., Rumyantsev YU. V. Upro-schennaya model' trehfaznoy gruppi transformatorov toka v sisteme dinamicheskogo modelirovaniya (Simplified model of three phase groups of current transformers in the system dynamic modelling), Ener-getika. Izvestiya visshih uchebnih zavedeniy i energeticheskih ob»edineniy SNG. 2015. No. 5. pp.23-38.
Дата поступления статьи в редакцию 22.12.2016, принята к публикации 6.02.2017.
05.20.02 УДК 621.385
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ УСТАНОВКИ С ТОРОИДАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ И С ЯЧЕИСТЫМ РОТОРОМ
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 Волжский филиал ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Чебоксары (Россия) Изосимова Татьяна Анатольевна, кандидат технических наук, доцент Волжский филиал ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Чебоксары (Россия)
Аннотация
Ведение. В настоящее время в России сложилась устойчивая тенденция к увеличению производства соевых бобов, используемых для производства комбикормов, а также для пищевых и технических целей.
Материалы и методы. Теоретические исследования проведены на основе известных положений диэлектрического нагрева СВЧ-диапазона, элементов теории электродинамических систем СВЧ-установок и распространения электромагнитных волн в объемных резонаторах.
Результаты и обсуждения. В работе приведены результаты теоретического исследования динамики нагрева зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. С учетом изменения диэлектрических и физико-механических свойств зерна, в том числе изменения плотности зерна, определяли математические модели динамики нагрева зерна. Построены графики динамики эндогенного нагрева соевых бобов при разной плотности. Из результатов теоретических исследований следует, эффективный диапазон удельной мощности составляет 2,66.. .8 Вт/г при продолжительности воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на соевые бобы плотностью 600.720 кг/м3, если напряженность электрического поля 1.10 кВ/см.
Заключение. Проведено совершенствование методики согласования конструкционно-технологических параметров установки с режимами ее работы с учетом основных критериев микроволновой технологии, обеспечивающее получение новых результатов в достижении непрерывности процесса, высокой напряженности электрического поля и собственной добротности резонатора, равномерности распределения сырья в объеме резонатора; вариации производительности установки.
Ключевые слова: патрубки для загрузки и выгрузки продукта, сверхвысокочастотные генераторы, термообработка и обеззараживание сырья, тороидальный резонатор, экранирующий корпус, электромагнитное поле сверхвысокой частоты, ячеистый ротор на опорных роликах.
Для цитирования: Белов А. А., Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Изосимова Т. А. Совершенствование и обоснование параметров сверхвысокочастотной установки с тороидальным резонатором и с ячеистым ротором для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2017. № 3 (70). С. 57-65.
THE IMPROVEMENT AND SUBSTANTIATION OF PARAMETERS OF MICROWAVE SETUP WITH TOROIDAL RESONATOR WITH HONEYCOMB ROTOR 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 professor, the first deputy rector,
the vice-rector for educational-methodical work «Nizhny Novgorod state agricultural Academy», Nizhny Novgorod (Russia) Novikova Galina Vladimirovna, the doctor of technical sciences, the professor The Volga branch of FSBEI «Moscow state automobile and road technical University (MADI)», Cheboksary (Russia) Izosimova Tatiana Anatolievna, the candidate of technical sciences, the associate professor The Volga branch of FSBEI «Moscow state automobile and road technical University (MADI)», Cheboksary (Russia)
Annotation
Introduction. Currently, Russia has developed a steady trend to increase the production of soybeans used for feed production, and for food and technical purposes.
Materials and methods. Theoretical studies were conducted based on the known provisions of dielectric heating the microwave frequency range, elements of the theory of electrodynamics systems of microwave installations and propagation of electromagnetic waves in volumetric resonators.
Results and discussion. The paper presents the results of theoretical studies of the dynamics of heating of the grain in the electromagnetic field of ultrahigh frequency. Taking into account changes in the dielectric and physic-mechanical properties of grain, including the change in the density of the grain, defined the mathematical model of the dynamics of heating of the grain. It is shown the graphs of the dynamics of the endogenous heating of soybean at different densities. From the results of the theoretical researches, the effective range of the power density of 2,66...8 W/g with duration of exposure to the electromagnetic field of ultrahigh frequency on soybean density 600...720 kg/m3, if tension of electric field of 1-10 kV/cm.
Conclusion. The improvement of a technique of coordination of constructional and technological parameters of the unit with the modes of her work taking into account the main criteria of microwave technology providing new results in achievement of a continuity of process, a high tension of electric field and own good quality of the resonator, uniformity of distribution of raw materials in volume of the resonator is carried out; installation productivity variations.
Keywords: microwave generators, a toroidal resonator, cellular rotor on the supporting rollers, heat treatment and disinfection of raw materials in the shell, shielding case, the electromagnetic field of ultrahigh frequency, and the pipes for loading and unloading of the product.
Введение
В настоящее время в России сложилась устойчивая тенденция к увеличению производства соевых бобов, используемых для производства комбикормов, а также для пищевых и технических целей. Однако дальнейшее расширение использования соевых бобов сдерживается отсутствием технологий
переработки зерна. Необходимо интенсифицировать процесс термообработки соевых бобов, осуществлять технологические операции с наименьшими энергозатратами и получать продукт с заданными биохимическими и структурно-механическими свойствами [14; 15]. Основные теоретические и экспериментальные работы, связанные с изучением
закономерностей воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сельскохозяйственное сырье, были проведены А. В. Лыковым, Г. А. Максимовым, Н. В. Книппером, С. В. Некрут-манов, И. Ф. Бородиным, И. А. Роговым и др. [16; 18; 20]. Ими было установлено, что перенос влаги происходит не путем диффузии, как при нагреве от внешнего источника, а посредством молекулярного движения типа фильтрации газа через пористые среды. С. В. Вендин проводил исследования по оценке температурного действия сверхвысокочастотной обработки на семена ячменя, пшеницы. Им рассматривались импульсные источники электромагнитного поля сверхвысокой частоты больших мощностей; получены выражения для определения оптимальной толщины сырья и минимального искажения сверхвысокочастотного импульса, как по амплитуде, так и по форме [9; 10; 11; 12].
В. И. Пахомов решил задачу параметрической оптимизации процесса комбинированной конвективно-высокочастотной сушки, синтезировал общую математическую модель, установил зависимость скорости потока влаги внутри зерна при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты.
Данная работа посвящена экспериментальному и теоретическому изучению процесса термообработки зерна в ЭМПСВЧ с целью разработки оптимальных режимов технологических процессов, приводящих к биохимическим и прочностным изменениям. Совершенствование микроволновой технологии и сверхвысокочастотных установок для термообработки и обеззараживания сырья в непрерывном режиме, обеспечивая многократный циклический режим воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) через паузу, является актуальной.
При воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты происходит быстрый разогрев сырья, резко поднимается давление водяных паров, что приводит к ускорению химических и биологических процессов в сырье. При этом происходит разрушение токсических и антипитательных веществ (трипсина, пепсина), происходит денатурация белковых соединений, разрушение структуры сырого крахмала, что способствует преобразованию в более усваиваемую форму. Термообработка соевых бобов в ЭМПСВЧ имеет целый ряд преимуществ перед другими способами тепловой обработки. Это скорость технологического цикла, невысокие требования к предварительной подготовке зерна, т. е. необходимо учитывать зависимость динамики нагрева от влажности и плотности сырья. В работе предложен нетрадиционный подход к конструкционному исполнению многорезонаторных, ма-
ломощных многогенераторных СВЧ-установок, обеспечивающих термомеханическое воздействие на фуражное зерно в непрерывном режиме.
Материалы и методы
Теоретические исследования проведены на основе известных положений диэлектрического нагрева СВЧ-диапазона, элементов теории электродинамических систем СВЧ-установок и распространения электромагнитных волн в объемных резонаторах. На основе диэлектрических характеристик компонентов сырья, теории диэлектрического нагрева, системного подхода к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических, физических, биометрических, статистических методов, разрабатывается конвейерная установка, состоящая из источников СВЧ-энергии, рабочей камеры и транспортирующих механизмов. Для экспериментальных исследований применялись сертифицированные электроизмерительные цифровые приборы и аппаратура, обеспечивающие достаточную точность результатов, стандартная методика оценки воспроизводимости эффективных режимов работы установок. Подтверждение закономерностей динамики нагрева сырья в тороидальном резонаторе достигается по натуральной величине критерия оценки факторов в процессе апробации СВЧ-установок в производственных условиях. Статистическую обработку результатов исследования проводили с применением компьютерных программ MicrosoftExcel 10.0, Statistic 5.0, трехмерного моделирования конструктивного исполнения СВЧ-установок в программе Компас-3DV15. В филиале ФГУ «Россель-хозцентр по Чувашской Республике» проведены исследования качества кормовых бобов.
Результаты и обсуждения
Решение разных по содержанию теоретических, технологических и технических задач является важной научно-технической проблемой, комплексное решение которой предусматривает методологический подход, рассматривающий как теоретическое обобщение и практическое решение задачи в области переработки сельскохозяйственного сырья.
В настоящее время научно-технический прогресс в агропромышленном комплексе связан с созданием новых и совершенствованием существующих технологий, с разработкой высокопроизводительного оборудования, способного обеспечить глубокую безотходную переработку фуражного зерна с получением безопасной готовой продукции высокого качества. Этим условиям удовлетворяют различные технологии с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, реализуемые в специальных установках. Идея тер-
момеханического воздействия на фуражное зерно в электромагнитном поле СВЧ в непрерывном режиме в передвижных резонаторах базируется на анализе практики и обобщения передового опыта российских и зарубежных предприятий, разрабатывающих СВЧ-установки для обработки продукции.
Целью работы является разработка, исследование и апробирование в производственных условиях принципиально нового высокоэффективного процесса переработки соевых бобов на основе применения целенаправленного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, позволяющего сохранить питательные вещества, инактивиро-вать вредные компоненты, снизить потери сырья при переработке.
На основе анализа и систематизации литературных данных в области [7; 8]:
- разработки технологического оборудования для переработки с.-х. продукции (Рогов И. А., Ивашов В. И., Болтенков И. М., Курочкин А. А., Зи-ганшин Б. Г. и др.);
- теории теплообменных процессов (Лыков А. В., Нетушил А. В., Гинзбург А. С., Лурье М. Ю., Филоненко Г. К., Рудобашта С. П. и др.);
- электротехнологии (Стребков Д. С., Бородин И. Ф., Цугленок Н. В., Вендин С. В. и др.);
- процессы и аппараты пищевых производств (Кавецкий Г. Д., Плаксин Ю. М. и др.);
- теории объемных резонаторов (Атабе-ков Г. И., Бессонов Л. А., Пчельников Ю. Н., Крылов Н. Н., Нейман М. С., Бунимович В. И., Кисунь-ко Г. В., др.) решается вышеуказанная задача [13; 17].
Известно, что по своей структуре производственный цикл переработки сельскохозяйственного сырья практически одинаков. Основные стадии цикла следующие: механическая обработка сырья с целью технологической подготовки (измельчение, перемешивание компонентов, дозирование, формование); тепловая обработка сырья для доведения до его готовности. Для этой цели применяются разные технологии, в том числе микроволновые технологии. Для реализации такой технологии исследованы принципы сочетания основных механизмов с системой обеспечения термообработки в непрерывном режиме. Рабочая камера для эффективного воздействия на сырье энергией электромагнитных излучений содержит резонаторную камеру, загрузочное и выгрузное устройства, а также запредельные волноводы. Конструктивные варианты исполнения всех частей технологической установки в каждом случае разные. Это достигается путем комбинации элементов рассмотренных узлов с целью достижения заданных технологических параметров установки при
выполнении определенного технологического процесса. В зависимости от своего назначения и соответствующего конструктивного исполнения установка выполняет одну или несколько технологических операций. Поэтому разрабатывается многооперационные и многоцелевые технологические установки [1; 2; 3; 4; 5; 6]. При этом весь процесс технологической обработки может происходить в рабочей камере установки периодического действия. Либо обрабатываемое сырье постоянно поступает в приемную часть установки, транспортируется внутри рабочей камеры и подвергается воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты в непрерывном режиме. Конструктивные и кинематические параметры технологической машины должны соответствовать эффективным режимам технологических процессов обработки сырья, выработки продукции высокого качества с минимальным количеством отходов и наименьшим потреблением энергии. Технологическая установка должна отвечать требованиям техники безопасности, в соответствии с которыми предусмотрены экранизация и запредельные волноводы. Конструкции технологической установки должна обеспечивать доступ для санитарной обработки рабочей камеры, съем рабочих органов для замены, регулировки и т. п. Рабочая камера - объемный резонатор и другие элементы исполнительных механизмов, контактирующих с сырьем, должны быть выполнены из фторопласта и пищевого алюминия. Разрабатываемое технологическое оборудование с использованием источников электромагнитного поля сверхвысокой частоты предназначено для осуществления тепло-обменных процессов, направленных на затормаживание развития бактериальной микрофлоры, интенсификации процесса термообработки сырья, снижения активности уреазы соевых бобов и т. п. При этом задача сводится к определению необходимой напряженности электрического поля при длине волны 12, 24 см в зависимости от цели технологического процесса и видов обрабатываемого сырья. В связи с этим необходимо обосновать конфигурацию и объем резонаторной камеры для обеспечения равномерного внутреннего теплообмена в сырье в процессе его непрерывного движения. Разработаны множество вариантов исполнения резонаторных камер, обеспечивающих эндогенный нагрев сырья в соответствующем технологическом оборудовании.
Для правильной оценки применимости сверхвысокочастотной энергии в специальных процессах требуется детальное знание свойств сырья на различных частотах и на всех стадиях процесса. Поглощенная мощность и глубина, на которую эта мощность проникает, определяется следующими факторами: диэлектрической проницаемостью, тан-
генсом угла диэлектрических потерь, частотой и геометрией сверхвысокочастотной системы. Под глубиной проникновения понимают расстояние, на котором плотность мощности уменьшается до 37 % от значения на поверхности, т. е. 63 % начальной энергии электромагнитной волны поглощается в сырье и превращается в тепло. Если тангенс угла диэлектрических потерь уменьшается с температурой, то процесс нагрева стабилен (поглощение СВЧ-энергии падает с температурой). Автоматическое ограничение температуры происходит при нагреве сырья, в котором потери обусловлены содержанием воды. Для обоснования конструкционно -технологических параметров проектируемых СВЧ-установок, необходимо знать диэлектрические характеристики сырья. Важными факторами, влияющими на диэлектрические характеристики сырья, являются температура, влажность, что необходимо учитывать при обосновании режимов термообработки. Зависимость диэлектрической характеристики сырья от температуры обусловлено и уменьшением времени релаксации с ростом температуры. Уменьшение значения диэлектрической проницаемости с повышением температуры объясняется с уменьшением фактора потерь для воды, а также с изменением форм связи влаги в ткани в результате денатурации белков. В интервале температур от 20 до 45 °С значение фактора потерь возрастает в результате перераспределения влаги, которая начинает выделяться при денатурации белков и заполняет полости между частицами сырья. Это приводит к увеличению удельной проводимости, следовательно, к увеличению значения фактора потерь. При дальнейшем повышении температуры происходит потеря жидкости, и фактор потерь снижается [18]. По мере возрастания частоты диэлектрическая проницаемость уменьшается до тех пор, пока период не становится столь малым, что мембраны не успевают заряжаться.
В работе проанализированы электрофизические параметры зерна в радиоволновом диапазоне. Установлены закономерности и выявлены особенности кинетики нагрева фуражного зерна при различных влагосодержаниях и плотностях. Обоснована возможность применения модели нагрева соевых бобов для анализа процесса термообработки в электромагнитном поле сверхвысокой частоты и определены параметры модели. Изучено влияние диэлектрического нагрева на органолептические, биохимические, структурно-механические и физические характеристики соевых бобов. На основании установленных характеристик определены режимы термообработки фуражного зерна.
Вначале проводили теоретические исследования динамики нагрева зерна в электромагнитном
поле сверхвысокой частоты. Удельные диэлектрические потери, т. е. количество теплоты, выделяемое в единице объема диэлектрика, зависят от параметров электрического поля сверхвысокой частоты, от диэлектрических и физико-механических свойств зерна [19; 21].
С учетом их изменения, в том числе изменения плотности зерна, определяли математические модели динамики нагрева зерна по нижеприведенной методике.
Изменения фактора потерь (к) и теплоемкости (С) соевых бобов в зависимости от температуры нагрева учитывали эмпирическими формулами:
,Дж/кгоС . (1)
к = 1,528- е0'0024Т С16 = 2240- е
0,004Т
Дт =
При плотности р = 720 кг/м3:
4-п-ДТ-р-С 4 - п - ДТ - р-С (Т)
1 -Е -а-е-е0 -tgS ц -Е -2-п- I-к (Т )-2-ДТ-р-С (Т) _
8,85-10~12 -1 -Е2 - 1-к(Т)
_2- ДТ- 640-2240 -е0-004Т_
0,6 - 2450 -106 -8,85-10"12-1,528 -е0 0024Т -Е2 162,265 -106-ДТ-е 0'0016Т
(2)
Е2
где р(т) - изменение плотности зерна в процессе механического воздействия (измельчения, дробления), кг/м3; С(Т) - изменение удельной теплоемкости зерна в зависимости от температуры, Дж/кг-0С; Дт - продолжительность электромеханического воздействия, с; п - термический КПД; ш - частота электромагнитного поля, с-1; е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; Е - напряженность электрического поля, В/м; е (Т); tgS(Т) - изменения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь зерна в процессе диэлектрического нагрева.
Е2 - Дт = 162,265 -106 -ДТ- е0'0016Т; (3)
Е2 -Дт = А- ДТ- ев - Т; А - {ев -Т - с1Т = Е2 - {с1т, А = 162,265-106; В = 0,0016 ;
где
А В-Т , /-! т-2 А В-Т 772 , г1
— е + С = Е - т; — -е = Е -т+С; В В
в - ^ в-(е2 - т + С) . е = а '
ЩеВ-т ) = 1п( В- (Е2аТ + С));
ВТ = 1п( В-(Е 2-т+ С) ); А
Т = 1.1п( В-(Е 2-т + С >);
^ А
(4)
£
0
г = . ^0.0016 • №2 С)); (6)
0,0016 162.265 406
Т = 625 • 1п(9,86 • 1012 • (Е2 • т + С)). (7) Если т = 0; T = 10 °С, то при Е = 104 В/м, С = 0,1031 -1012, тогда
Т = 625 • 1п(9,86 • 1012 • Е2 • т +1,0165). (8) При плотности р = 640 кг/м3 получаем следующее математическое выражение:
Т = 625 • 1п(11,1 • 1012 • Е2 • т +1,02). (9) При плотности р = 600 кг/м3: Т = 625 • 1п(11,83 10 12 • Е2 • т +1.016). (10) Математические модели динамики нагрева соевых бобов разных плотностей при разных на-пряженностях электрического поля описываются выражениями 8, 9, 10. Графики, описывающие динамику нагрева соевых бобов разной плотности при Е = 104 В/м, приведены на рисунке 1.
200
° , 150 л <о 01 а
ш
то 100
а ?
ш о.
01
50
0
- При плотности 7 При плотности 64 При плотности 6( Ю кг/мЛ3 Ю кг/млз 30 кг/млз
у = 22,83е0'00 Эх
у = 20,75е°'01х у = ^^е0-00 9х
Продо лжительность во эздействия, с
0 50 100 150 200 250
Рисунок 1 - Динамика нагрева соевых бобов в процессе воздействия ЭМПСВЧ при разной плотности
Исследования показывают, что температура нагрева соевых бобов с увеличением плотности снижается. Из результатов теоретических исследований следует, что для обеспечения прищения температуры 55...58 °С, необходимо воздействовать энергией ЭМИ не более 120 с, при удельной мощности 8 Вт/г. Если удельная мощность 4 Вт/г - в течение 190 с, а при 2,66 Вт/г - 300 с.
Прототипом является карусельная механизированная яйцеварка с ячеистым ротором. При этом собственная добротность резонатора прямоугольного сечения и напряженность электрического поля очень низкие. Поэтому разрабатывается СВЧ-установка с тороидальным резонатором, позволяющим обеспечить поточность технологического процесса.
Анализируя динамику нагрева, можно предложить несколько вариантов схемных решений СВЧ-установок, в том числе с тороидальным резонатором (рис. 1). Тор с круглым сечением обеспечивает достаточно высокую напряженность электрического поля для достижения эффекта снижения микробиологической обсемененности сырья. Установка (рис. 2) для термообработки сырья в непрерывном режиме содержит: тороидальный резонатор из двух частей 1, 2; ячеистый ротор, собранный из
периферийной 3 и центральной частей 8 на опорных роликах 4; патрубки для загрузки сырья 5 и выгрузки продукта 6, генераторные блоки 7. Верхняя часть тора 1 выполнена в виде полукруглого сечения, а нижняя часть 2 ротора представлена как основание цилиндра с боковой поверхностью, перекрывающей верхнюю часть тора 1 по наружному периметру. На основании цилиндра соосно установлен ротор 3, 8, опирающийся на ролики 4. При вращении ротора его периферийная часть 3, выполненная из радиопрозрачного материала, передвигается внутри тора, для этого по внутреннему периметру тора 1 имеется щель, размером менее четверти длины волны. На верхней части тороидального резонатора равномерно по периметру установлены сверхвысокочастотные генераторные блоки 7. Причем средний периметр тора равен кратной половине длины волны, а диаметр поперечного сечения тора согласован с длиной волны и размером сырья, находящегося в ячейках радиопрозрачной части ротора 3. По мере заполнения ячеек с сырьем включают соответствующие сверхвысокочастотные генераторы 7, последовательно.
Сырье в процессе движения ротора вращается вокруг своей оси, попадает под излучатель соответствующего СВЧ-генератора. В тороидальном резо-
наторе возникает стоячая волна, которая, замыкаясь на сырье, обеспечивает диэлектрический нагрев. Причем из-за неравномерности структуры сырья с разными электрофизическими параметрами происходит неравномерный нагрев, градиент давления из-
за внутреннего парообразования разрывает оболочку сырья. Для исключения такого явления следует воздействовать ЭМПСВЧ на сырье в циклическом режиме, соблюдая режим скважности технологического процесса.
а б
Рисунок 2 - Сверхвысокочастотная установка с тороидальным резонатором и ячеистым ротором для термообработки сырья (без экранирующего диска): а - пространственное изображение установки, б - ячеистый диск, 1 - верхняя часть тороидального резонатора; 2 - нижняя часть тороидального резонатора; 3 - периферийная часть ротора с ячейками, выполненная из радиопрозрачного материала; 4 - опорные ролики; 5 - патрубок для загрузки сырья; 6 - выгрузной патрубок; 7 - СВЧ-генераторные блоки; 8 - центральная часть ротора из неферромагнитного материала, над которой прикреплен съемный неферромагнитный диск (не показан), ограничивающий излучение через щель по внутреннему периметру тора 1
При этом продолжительность воздействия ЭМПСВЧ в области излучателя должна быть меньше, чем продолжительность воздействия ЭМПСВЧ слабой интенсивности (между облучателями). Такой режим достигается за счет транспортировки сырья в ячейках ротора 3 через тороидальный резонатор с определенным периметром и количеством генераторных блоков 7. Для обеспечения непрерывного режима термообработки следует согласовать количество генераторов и их мощность, средний периметр тора, скорость вращения ротора, массу загрузки сырья в ячейку, расстояние межу генераторами. Равномерность нагрева сырья по сечению достигается за счет его вращения вокруг своей оси в процессе транспортирования в ячейке особой конструкции в ЭМПСВЧ. Конфигурация ячейки обеспечивает транспортировку сырья и вращение вокруг оси. Производительность установки зависит от количества и мощности сверхвысокочастотных генераторов, электрофизических параметров сырья. Основными параметрами термообработки являются продолжительность процесса, влажность сырья и удельная мощность. Все три основных параметра управляемы, что позволяет создать любой режим обработки. Удельную мощность регулировали мощностью СВЧ-генератора и объемом загрузки сырья в ячеистый ротор. Длительность термообработки сырья можно регулировать частотой вращения ячеистого ротора, а влажность сырья - предварительным увлажнением.
Заключение
Проведено совершенствование методики согласования конструкционно-технологических параметров установки с режимами ее работы с учетом основных критериев микроволновой технологии, обеспечивающее получение новых результатов в достижении непрерывности процесса, высокой напряженности электрического поля и собственной добротности резонатора, равномерности распределения сырья в объеме резонатора; вариации производительности установки.
Анализируя диэлектрический спектр составных частей сырья, изучив методику проектирования технических средств, основанных на применении СВЧ-энергии, согласованы режимные и конструктивные параметры, разработана микроволновая установка с ячеистым ротором для термообработки сырья в непрерывном режиме.
Эффективность данного способа подвержена многочисленными исследованиям, активность ингибиторов токсических веществ практически полностью нейтрализуется. Процесс термообработки сырья производится при определенной скорости движения ячеистого ротора (0,5.1 об./мин.) и удельной мощности СВЧ-генератора в зависимости от исходного содержания общего микробного числа, влажности и необходимых показателей конечного продукта. Ячеистый ротор обеспечивает транспортирование сырья внутри тороидального резонатора, при котором происходит перемешивание сы-
рья и равномерный эндогенный нагрев при высокой напряженности электрического поля. Эффективный диапазон удельной мощности составляет 2,66...8 Вт/г при продолжительности воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на соевые бобы плотностью 600.720 кг/м3.
Доказана перспективность предложенных технических решений и способов повышения эффективности процессов термомеханического воздействия на фуражное зерно в непрерывном режиме за счет совершенствования электродинамической системы СВЧ-установки с тороидальным резонатором и ячеистым ротором.
Теория построена на известных уравнениях распространения электромагнитных волн в объемных резонаторах, элементах теории электродинамической системы СВЧ-установок, численных и дифференциальных методах решения задач.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов А. А., Селиванов И. М. Резонаторы, обеспечивающие диэлектрический нагрев сырья в поточном режиме // III международная научно-практическая конференция «Профессии без границ». Новочебоксарск : АНО ВО «Академия технологии и управления», 2015. С. 172-174.
2. Белов А. А., Жданкин Г. В., Михайлова О. В., Юнусов Г. С. Разработка сверхвысокочастотной установки с передвижными резонаторами // Вестник НГИЭИ № 12 (67), 2016. С. 35-40.
3. Белов А. А., Жданкин Г. В., Сторчевой В. Ф., Новикова Г. В. Разработка радиоволновых установок для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2016, № 10 (65). С. 7-15.
4. Белов А. А., Жданкин Г. В., Михайлова О. В., Юнусов Г. С. Разработка сверхвысокочастотной установки с передвижными резонаторами // Вестник НГИЭИ № 12 (67), 2016. С. 35-40.
5. Белова М. В., Зиганшин Б. Г., Новикова Г. В. Электродинамический анализ резонаторов, используемых в сверхвысокочастотных установках // Естественные и технические науки, 2015, № 6. С. 286-288.
6. Белова М. В., Новикова Г. В., Понама-рев А. Н. Зависимость мощности потерь СВЧ-энергии от напряженности электрического поля // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет» Чебоксары. 2011, № 2 (70). С. 119-122.
7. Будников Д. А. Проблемы и возможности использования СВЧ для сушки зерна // Проблемы исследования и проектирования машин. Пенза, 2006. С.113-115.
8. Васильев А. Н., Будников Д. А., Смирнов Б. Г. Влияние градиента температур на давление
паров в зерновке при СВЧ нагреве // Агроинженерия. Вестник МГАУ. Выпуск 3/1. М., 2007. С. 27-29.
9. Вендин С. В. Интегральная оценка температурного действия СВЧ-обработки семян // Техника в сельском хозяйстве. 1995. № 3. С. 31-32.
10. Вендин С. В. Обработка семян электромагнитным полем : дис. ... докт. техн. наук: 05.20.02. Москва, 1994. 463 с.
11. Вендин C. В. Моделирование и автоматизация технологических процессов сельскохозяйственного производства // Сб. науч. Тр. МИИСП им. В. П. Горячкина. М. : 1991. С. 14-18.
12. Кураев А. А., Попкова Т. Л., Сини-цын А. К. Электродинамика и распространение радиоволн. Минск : Бестпринт, 2004. 220 с.
13. Лыков А. В., Максимов Г. А. Исследование процесса сушки в поле высокой частоты // Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах. Л., М. : Госэнергоиздат, 1957. С. 133-142.
14. Новикова Г. В., Белов А. А., Кириллов Н. К. Установка для микронизации зерна // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». 2012, № 4. С. 37-40.
15. Пчельников Ю., Свиридов В. Т. Электроника сверхвысоких частот. М. : Радио и связь, 1981. 9 6 с.
16. Пахомов В. И., Каун В. Д. Оптимизация тепловой обработки фуражного сырья СВЧ-энергией // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2000. № 9. С. 8-10.
17. Рогов И. А., Некрутман С. В. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. М. : Пищевая промышленность, 1976. 212 с.
18. Селиванов И. М., Новикова Г. В., Белова М. В., Белов А. А. Резонаторы, обеспечивающие термообработку сырья в поточном режиме // Естественные и технические науки, 2015, № 6. С. 504-507.
19. Симовьян С. В., Потапов В. А. Определение условий равномерного СВЧ нагрева продуктов с учетом теплопотерь // Известия вузов. Пищевая технология, 1983. № 6. С. 63-67.
20. Сторчевой В. Ф., Жданкин Г. В. Разработка сверхвысокочастотной установки для термообработки непищевых отходов убоя и переработки птицы // Научная жизнь. М. : ЗАО «Алкор», 2016, № 11. С. 10-14.
REFERENCES
1. Belov A. A., Selivanov I. M. Rezonatory, ob-espechivajushhie dijelektricheskij nagrev syr'ja v po-tochnom rezhime (Resonators provide dielectric heating of raw materials in-line), III mezhdunarodnaja nauch-no-prakticheskaja konferencija «Professii bez granic». Novocheboksarsk : ANO VO «Akademija tehnologii i upravlenija», 2015. рр. 172-174.
2. Belov A. A., Zhdankin G. V., Mihajlova O. V., Junusov G. S. Razrabotka sverhvysokochastotnoj usta-novki s peredvizhnymi rezonatorami (Development of microwave installation with a movable resonator), VestnikNGIJel, 2016, No. 12 (67), pp. 35-40.
3. Belov A. A., Zhdankin G. V., Storchevoj V. F., Novikova G. V. Razrabotka radiovolnovyh ustanovok dlja termoobrabotki syr'ja (Development of radio installations for heat treatment of raw materials), Vestnik NGIJel. 2016, No. 10 (65), pp. 7-15.
4. Belov A. A., Zhdankin G. V., Mihajlova O. V., Junusov G. S. Razrabotka sverhvysokochastotnoj usta-novki s peredvizhnymi rezonatorami (Development of microwave installation with a movable resonator), VestnikNGIJel, 2016, No. 12 (67), pp. 35-40.
5. Belova M. V., Ziganshin B. G., Novikova G. V. Jelektrodinamicheskij analiz rezonatorov, ispol'zuemyh v sverhvysokochastotnyh ustanovkah (The Electrody-namic analysis of the resonator used in highspeed plants), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp.286-288.
6. Belova M. V., Novikova G. V., Ponama-rev A. N. Zavisimost' moshhnosti poter' SVCh-jenergii ot naprjazhennosti jelektricheskogo polja (Dependence of the power loss of microwave energy from electric fields), Vestnik FGBOU VPO «Chuvashskij gosu-darstvennyj pedagogicheskij universitet» Cheboksary, 2011, No. 2 (70), pp. 119-122.
7. Budnikov D. A. Problemy i vozmozhnosti is-pol'zovanija SVCh dlja sushki zerna (Problems and possibilities of using microwave for drying grain), Problemy issledovanija i proektirovanija mashin, Penza, 2006, pp.113-115.
8. Vasil'ev A. N., Budnikov D. A., Smirnov B. G. Vlijanie gradienta temperatur na davlenie parov v zer-novke pri SVCh-nagreve (The effect of temperature gradient on the vapor pressure of the weevil in the microwave heating), Agroinzhenerija. Vestnik MGAU. Vypusk 3/1. M., 2007, pp. 27-29.
9. Vendin S. V. Integral'naja ocenka temperatur-nogo dejstvija SVCh-obrabotki semjan (Integral estimation of the thermal effects of microwave treatment of seeds), Tehnika v sel'skom hozjajstve. 1995, No. 3, pp.31-32.
10. Vendin S. V. Obrabotka semjan jelektro-magnitnym polem (Treatment of seeds electromagnetic field), dis. ... dokt. tehn. nauk: 05.20.02, Moskva, 1994, 463 p.
11. Vendin C. V. Modelirovanie i avtomatiza-cija tehnologicheskih processov sel'skohozjajstven-nogo proizvodstva (Modeling and automation of tech-
nological processes of agricultural production), Sb.
nauch. tr. MIISP im. V. P. Gorjach-kina, M., 1991, pp.14-18.
12. Kuraev A. A., Popkova T. L., Sinicyn A. K. Jelektrodinamika i rasprostranenie radiovoln (Electrodynamics and radio wave propagation), Minsk, Bestprint, 2004, 220 p.
13. Lykov A. V., Maksimov G.A. Issledovanie processa sushki v pole vysokoj chastity (Research of process of drying in a high frequency field), Teplo-i massoobmen v kapilljarno-poristyh telah, L., M., Gos-jenergoizdat, 1957, pp. 133-142.
14. Novikova G. V., Belov A. A., Kirillov N. K. Ustanovka dlja mikronizacii zerna (Plant for micro-nized substance grain), Vestnik FGBOU VPO «Chuvashskij gosudarstvennyj pedagogicheskij universitet im. I. Ja. Jakovleva», 2012, No. 4, pp. 37-40.
15. Pchel'nikov Ju. N., Sviridov V. T. Jelektro-nika sverhvysokih chastot (Electronics of ultrahigh frequencies), M., Radio i svjaz', 1981, 96 p.
16. Pahomov V. I. Kaun V. D. Optimizacija tep-l ovoj obrabotki furazhnogo syr'ja SVCh jenergiej (Optimization of heat treatment of feed raw material microwave energy), Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva, 2000, No. 9, pp. 8-10.
17. Rogov I. A., Nekrutman S. V. Sverhvysoko-chastotnyj i infrakrasnyj nagrev pishhevyh produktov (Microwave and infrared heating of foods), M, Pishhe-vaja promyshlennost', 1976, 212 p.
18. Selivanov I. M., Novikova G. V., Belova M. V., Belov A. A. Rezonatory, obespechivajushhie termoobrabotku syr'ja v potochnom rezhime (Resonators, providing heat treatment of raw materials in-line), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 6, pp.504-507.
19. Simov'jan S. V., Potapov V. A. Opredelenie uslovij ravnomernogo SVCh nagreva produktov s uche-tom teplopoter' (Determination of conditions for uniform microwave heating of products taking into account heat loss), Izvestija vuzov. Pishhevaja tehnologija, 1983, No. 6, pp. 63-67.
20. Storchevoj V. F., Zhdankin G. V. Razra-b otka sverhvysokochastotnoj ustanovki dlja termoobrabotki nepishhevyh othodov uboja i pererabotki pticy (Development of microwave installation for thermal treatment of waste, inedible slaughter and poultry processing), Nauchnaja zhizn', M, ZAO «Alkor», 2016, No. 11, pp. 10-14.
Дата поступления статьи в редакцию 14.12.2016, принята к публикации 7.02.2017.
