CC BY
19
05.20.02 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
05.20.02 УДК 621.3, 637
DOI: 10.24412/2227-9407-2021-8-57-69
СВЧ-установка для дефростации и разогрева молозива животных в эффективных режимах
Г. В. Новикова1 , И. Г. Ершова2, М. В. Просвирякова3, О. В. Михайлова4
1 3 4Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия
* 'Ыоу\коуаОаИпаУ@уапйех. ги 2 Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, Россия
1, 3, 4
4
Аннотация
Введение. Статья посвящена разработке сверхвысокочастотной (СВЧ) установки непрерывно-поточного действия для дефростации и разогрева коровьего молозива в разных объемных резонаторах, обеспечивающих сохранность кормовой ценности.
Материалы и методы. Проанализировали изменение фактора диэлектрических потерь коровьего молозива разной жирности в диапазоне отрицательных и положительных температур при частоте 2450 МГц. Провели сравнительный анализ существующих объемных резонаторов, обеспечивающих непрерывно-поточный режим при соблюдении электромагнитной безопасности без экранирующего корпуса. Выявили возможность совершенствования конструкции для реализации основных критериев. Провели исследования динамики нагрева жидкого коровьего молозива при разных удельных мощностях для обоснования эффективных режимов через регрессионные зависимости. Разработали установку, наиболее полно реализующую основные критерии проектирования. Результаты и обсуждение. Научной задачей является разработка СВЧ-установки непрерывно-поточного действия с резонаторами, позволяющими разделить процессы дефростации и разогрева замороженного сырья, освобожденного от пластиковых бутылок. Установка содержит два вертикально расположенных усеченных конических резонатора. Они состыкованы усеченными вершинами. На основаниях резонаторов установлены магнетроны. Внутри верхнего резонатора установлен вращающийся диэлектрический контейнер в виде соосно расположенных усеченных конусов без оснований, где кольцевое пространство разделено на отсеки. Внутри нижнего резонатора поярусно расположены диэлектрические узлы. Предусмотрен запредельный волновод, наклоненный в соответствии с углом наклона отсеков. Размеры резонаторов согласованы с длиной волны, а их вершины усечены диаметром не более четверти длины волны. Эффективные режимы разогрева коровьего молозива от 1,0 до 40 °С следующие: удельная мощность СВЧ-генератора — 0,8 Вт/г; единовременная загрузка сырья в резонатор — 3,0 кг; мощность СВЧ-генераторов — 2,4 кВт; производительность установки - 20-22 кг/ч, энергетические затраты - 0, 13-0,14 кВт-ч/кг.
Заключение. Из-за того, что характер изменения фактора диэлектрических потерь сырья от температуры в зависимости от агрегатного состояния противоположный, установка должна содержать два резонатора, обеспечивающие разные дозы воздействия ЭМПСВЧ. Один резонатор для дефростации от -10 до 0 оС, другой резонатор — для подогрева до 38-40 °С. Резонаторы должны разделять твердую и жидкую фазы сырья при температуре, равной температуре фазового превращения. Поэтому разработана двухрезонаторная установка, обеспечивающая дефростацию и разогрев сырья в непрерывном режиме.
Ключевые слова: диэлектрический вращающийся контейнер, замороженное молозиво животных, освобожденное от пластиковых бутылок сырье, регрессионные модели, усеченные конические резонаторы, эффективные режимы.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
© Новикова Г. В., Ершова И. Г., Просвирякова М. В., Михайлова О. В., 2021
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Для цитирования: Новикова Г. В., Ершова И.Г., Просвирякова М. В., Михайлова О. В. СВЧ-установка для дефростации и разогрева молозива животных в эффективных режимах // Вестник НГИЭИ. 2021. № 8 (123). С. 57-69. DOI: 10.24412/2227-9407-2021-8-57-69
Microwave installation for defrosting and heating of colostrum of animals in effective modes
G. V. Novikova a*, I. G. Ershova b, M. V. Prosviryakova c, O. V. Mikhailovad
a c d Nizhny Novgorod state University of engineering and economics, Knyaginino, Russia
* [email protected] bFederal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia
Abstract
Introduction. Defrosting and heating of cow colostrum in different volume resonators that ensure the preservation of feed value.
Materials and methods. According to I. A. Rogov, the change in the dielectric loss factor of cow colostrum of different fat content in the range of negative and positive temperatures at a frequency of 2450 MHz was analyzed. A comparative analysis of existing volumetric resonators providing a continuous-flow mode while observing electromagnetic safety without a shielding housing was carried out. The possibilities of improving the design for the implementation of the main criteria were identified. The dynamics of heating of liquid cow colostrum at different specific capacities were studied for preliminary justification of effective modes through regression dependencies. We have developed an installation that most fully implements the main design criteria.
Results and discussion. The scientific task is to develop a continuous-flow microwave installation with resonators that allow separating the processes of defrosting and heating of frozen raw materials released from plastic bottles. The installation contains two vertically arranged truncated conical resonators. They are joined by truncated vertices. Magnetrons are installed on the bases of the resonators. Inside the upper resonator, a dielectric container is coaxially installed, rotating from an electric motor and made in the form of coaxially arranged truncated cones without bases, where the annular space is divided into compartments. Inside the lower resonator, there are tiered dielectric nodes: a truncated cone. An exorbitant waveguide is provided, tilted in accordance with the angle of inclination of the compartments. The dimensions of the resonators are consistent with the wavelength, and their vertices are truncated with a diameter of no more than a quarter of the wavelength. The effective heating modes of cow colostrum from 1.0 to 40 °C are as follows: the specific power of the microwave generator is 0.8 W/g; the one-time loading of raw materials into the resonator is 3.0 kg; the power of the microwave generators is 2.4 kW; the plant capacity is 20-22 kg/h, energy costs are 0.13-0.14 kWh/kg.
Conclusion. Due to the fact that the nature of the change in the factor of dielectric losses of raw materials from temperature, depending on the aggregate state, is the opposite, the installation must contain two resonators that provide different doses of exposure to EMPH. One resonator is for defrosting from -10 °C to 0, the other resonator is for heating up to 38-40 °C. The resonators must separate the solid and liquid phases of the raw material at a temperature equal to the temperature of the phase transformation. Therefore, a two-resonator installation has been developed that provides defrosting and heating of raw materials in a continuous mode.
Keywords: truncated conical resonators, dielectric rotating container, regression models, frozen colostrum of animals, raw materials released from plastic bottles, effective modes
The authors declare no conflict of interest.
For citation: Novikova G. V., Ershova I. G., Prosviryakova M. V., Mikhailova O. V. Microwave installation for defrosting and heating of colostrum of animals in effective modes // Bulletin NGIEI. 2021. № 8 (123). P. 57-69. (In Russ.). DOI: 10.24412/2227-9407-2021-8-57-69
Введение
Известно, что питательная ценность молозива коров выше питательной ценности молока по кормовым единицам и по белку. По сравнению с молоком коровьим молозиво имеет гораздо более высо-
кое содержание питательных веществ (27,6 по сравнению с 12,3 %), более высокое содержание белка (14,9 против 2,8 %), и жира (6,7 % против 4,4 %). Содержание иммуноглобулинов больше 50 мг/мл [2]. Из-за высокого содержания иммуноглобулинов
молозиво животных считается ценным биологическим продуктом, позволяющим формировать иммунитет у молодняка. Поэтому излишнее молозиво собирают, быстро замораживают, и это обеспечивает сохранность иммуноглобулинов. Статистические данные показывают, что в России 275 млн л коровьего молозива замораживают и поэтому для дефростации и подогрева его производительностью 30-40 л/ч необходимо более 25 тыс. шт. установок. Замораживают также молозива других видов животных.
Известно, что при использовании традиционных установок (БМА-50, Прималакт, РМ2 и др.) процесс размораживания и разогрева молозива животных в полиэтиленовых бутылках в пароводяной смеси длится 1,5-2 часа. Для уменьшения продолжительности технологического процесса предлагается воздействовать на замороженное сырье электромагнитным полем сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) (2450 МГц, 12,24 см), что способствует сохранению кормовой ценности продукта. Разработаны СВЧ-установки с разными конструкционными исполнениями объемных резонаторов, позволяющих размораживать предварительно измельченное сырье, или в виде брикетов размером, соответствующим глубине проникновения волны [3; 4; 5; 6].
В том числе известна СВЧ-установка непрерывно-поточного действия с коническими резонаторами для размораживания и разогрева коровьего молозива (патент № 2744423 РФ, МПК А47J.39/00) [7]. Установка содержит вертикально расположенные усеченные конические резонаторы, имеющие общее перфорированное неферромагнитное основание, и обеспечивает дефростацию сырья, загруженного в виде мелких брикетов, заготовленных в специальных формах.
Известна микроволновая установка для размораживания коровьего молозива, содержащая квазитороидальный резонатор, работающая в периодическом режиме [8]. При этом сырье замораживают в силиконовых тарах и перед размораживанием освобождают от тары и загружают через внутренний цилиндр в конденсаторную часть квазитороидального резонатора (патент № 2694944). Но в условиях фермерских хозяйств преимущественно сырье замораживают в пластиковых бутылках объемом 1-1,5 литра [9; 10].
Научной задачей является разработка СВЧ-установки непрерывно-поточного действия с резонаторами, позволяющими разделить процессы деф-ростации и разогрева замороженного сырья, освобожденного от пластиковых бутылок.
Материалы и методы
Научные задачи решались в следующей последовательности. По данным И. А. Рогова анализировали изменение фактора диэлектрических потерь коровьего молозива разной жирности (4,5-6,4 %) в диапазоне отрицательных (-10...0 оС) и положительных (0...+40 оС) температур при частоте 2450 МГц [1]. Анализировали существующие конструкционные исполнения объемных резонаторов, обеспечивающих непрерывно-поточный режим при соблюдении электромагнитной безопасности без экранирующего корпуса [11; 12; 13]. Сравнивали вычисленные через объем и площадь поверхности значения собственной добротности резонаторов, выявляли возможности совершенствования конструкции для реализации основных критериев -обеспечение непрерывного режима и высокой напряженности электрического поля. С помощью лабораторного образца СВЧ-установки с коническим резонатором проводили исследования динамики нагрева жидкого коровьего молозива при разных удельных мощностях для предварительного обоснования эффективных режимов через регрессионные зависимости, полученные путем активного планирования трехфакторного эксперимента типа 23. Разрабатывали схему технологического процесса и пространственное изображение установки, наиболее полно удовлетворяющие основные критерии проектирования и позволяющие ожидать сохранения кормовой ценности сырья.
Результаты и обсуждение
Разработанная СВЧ-установка непрерывно-поточного действия для дефростации и разогрева молозива животных собрана из двух вертикально расположенных усеченных конических резонаторов 1, 7 с состыкованными усеченными вершинами с помощью неферромагнитной цилиндрической муфты 6 (рис. 1). На основаниях усеченных конических резонаторов 1, 7, по периметру со сдвигом на 120 градусов установлены магнетроны 4, 12 с воздушным охлаждением, излучатели от которых направлены в соответствующие резонаторы 1, 7. Внутри верхнего усеченного конического резонатора 1 соосно на диэлектрическом валу 5 от электродвигателя установлен диэлектрический контейнер 2. Он выполнен в виде соосно расположенных усеченных конусов без оснований, где кольцевое пространство разделено на отсеки для размещения замороженного сырья, освобожденного от пластиковых бутылок. Между верхним усечённым коническим резонатором 1 и диэлектрическим контейнером 2 расположены опорные ролики 13. К внутренней поверхности нижнего усеченного конического
резонатора 7 под цилиндрической неферромагнитной муфтой 6 прикреплена диэлектрическая направляющая в виде усеченного конуса 8 без оснований вершиной вниз, а под ним диэлектрическая коническая направляющая 9 без основания вершиной вверх. Далее под ней (9) к резонатору 7 прикреплен диэлектрический конический накопитель 10 с шаровым краном 11 на вершине. На основании
верхнего усечённого конического резонатора 1 предусмотрен запредельный волновод для загрузки замороженного сырья 14. Он наклонен в соответствии с углом наклона отсеков 3. Конструкционные размеры: диаметр основания, угол наклона образующей конуса, высота конуса согласованы с длиной волны. Вершины конических резонаторов усечены диаметром не более четверти длины волны.
а / a б / b в / c
Рис. 1. СВЧ-установка непрерывно-поточного действия для дефростации и разогрева молозива животных:
а - общий вид в разрезе; б - схематическое изображение; в - диэлектрический контейнер; 1 - верхний усечённый конический резонатор; 2 - диэлектрический контейнер; 3 - отсеки; 4 - магнетроны на верхнем резонаторе; 5 - диэлектрический вал; 6 - цилиндрическая неферромагнитная муфта; 7 - нижний усечённый конический резонатор; 8 — диэлектрическая направляющая в виде усеченного конуса; 9 — диэлектрическая коническая направляющая; 10 - диэлектрический конический накопитель; 11 - шаровой кран; 12 - магнетроны
на нижнем резонаторе; 13 — опорные ролики; 14 — замороженное сырье; 15 — запредельный волновод Fig. 1. Continuous-flow microwave installation for defrosting and heating of colostrum of animals: a - general view in the section; b - schematic image; c - dielectric container; 1 - upper truncated conical resonator; 2 - dielectric container; 3 - compartments; 4 - magnetrons on the upper resonator; 5 - dielectric shaft; 6 - cylindrical non-ferromagnetic coupling; 7 - lower truncated conical resonator; 8 - dielectric guide in the form of a truncated cone;
9 - dielectric conical guide; 10 - dielectric conical accumulator; 11 - ball valve; 12 - magnetrons on the lower resonator; 13 - support rollers; 14 - frozen raw materials; 15 - an exorbitant waveguide
Источник: разработано авторами
Технологический процесс дефростации и разогрева молозива животных в СВЧ-установке непрерывно-поточного действия с состыкованными вершинами конических резонаторов происходит следующим образом. Включить электропривод (диэлектрический вал 5) диэлектрического контейнера 2, который начинает медленно вращаться, опираясь на ролики 13. Закрыть шаровой кран 11. Загрузить замороженное сырье 14 без пластиковой бутылки через запредельный волновод 15 во все отсеки 3 диэлектрического контейнера 2. Включить СВЧ-генераторы (магнетроны 4), после чего в верхнем усеченном коническом резонаторе 1 возбуждается
электромагнитное поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Замороженное сырье в процессе вращения диэлектрического контейнера 2 равномерно нагревается, происходит послойная дефростация сырья, в зависимости от глубины проникновения волны, жидкое молозиво стекает через неферромагнитную муфту 6 в нижний усеченный конический резонатор 7, а именно - в диэлектрическую направляющую 8 в виде усеченного конуса. Включить сверхвысокочастотные генераторы (магнетроны 12), после чего в нижнем усеченном коническом резонаторе 7 возбуждается ЭМПСВЧ, жидкое сырье в диэлектрическом усеченном конусе 8 эндогенно
нагревается, вытекает из него и стекает по поверхности диэлектрического конического направляющего 9, нагревается. Далее сырье накапливается в диэлектрическом коническом накопителе 10 и продолжает эндогенно нагреваться до 38-40 °С. Датчик температуры расположен около шарового крана 11. Такое ступенчатое воздействие ЭМПСВЧ обеспечивает более равномерный эндогенный нагрев жидкого сырья. Открывая шаровой кран 11 , можно слить молозиво для выпойки телятам. Около усеченных вершин конических резонаторов 1 и 7 напряженность электрического поля достаточно высокая (1-1,2 кВ/см) для обеспечения низкотемпературного обеззараживания жидкого молозива [14; 15; 16].
Для предварительной оценки режимов разогрева молозива проводили экспериментальные исследования с помощью изготовленного лабораторного образца СВЧ-установки с коническими резонаторами с общим перфорированным основанием, возбуждая электромагнитное поле только в одном
коническом резонаторе. Пользуясь матрицей планирования 3-факторного активного эксперимента типа 23 (табл. 1, 2), получены регрессионные зависимости [17]. Они позволяют оценить влияние технологических параметров (удельной мощности генератора, продолжительности эндогенного нагрева и мощности генератора) на производительность установки, температуру нагрева сырья и на удельные энергетические затраты. Определены следующие основные факторы, влияющие на процессы разогрева молозива: х] - удельная мощность СВЧ-генератора ( Руд, Вт/г); х2 - продолжительность воздействия ЭМПСВЧ на сырье (т, ч); х3 - мощность СВЧ-генераторов (Р, Вт). Интервалы варьирования основных факторов оценивали с учетом возможностей конструкционного исполнения установки. Они совместимы и не коррелированы между собой, а пределы их изменения следующие (табл. 1): (хО 0,4 < Руд < 1,2 Вт/г; (х2) 0,1 < т < 0,3 ч; (х3) 1,6 < Р < 3,2 Вт.
Таблица 1. Уровни варьируемых факторов Table 1. Levels of variable factors
Фактор / Factor Кодовое значение/ Code value Интервал варьирования / Variation interval Уровень факторов / Factor level
основной уровень/ main level верхний уровень / upper level нижний уровень/ lower level
Удельная мощность генератора, Вт/г / Specific power of the generator, W/g Продолжительность обработки / Duration of processing ч/hour мин. / min.
Мощность генераторов, кВт / Generator power, kW Источник: составлено авторами
Xi
0,4
1,2
0,4
X2
0,016
0,2 12
0,3 18
0,1 6
X3
2,4
3,2
1,6
Критериями оценки эффективности разогрева сырья при варьировании выбранных факторов, являлись: У1 - производительность СВЧ-установки (Q, кг/ч); Y2 - энергетические затраты (W, кВтч/кг); Y3 - температура сырья (Т, оС); Y4 - общее микробное число в сырье, (ОМЧ, КОЕ/г).
Пользуясь программой Statistic 12, получены трехмерные изображения поверхностей откликов в зависимости от режимов разогрева сырья, а именно: зависимость производительности установки (Y1), энергетических затрат (Y2), температуры нагрева сырья (Y3), общего микробного числа (Y4) от удельной мощности генератора (х^, продолжительности воздействия ЭМПСВЧ (х2) и мощности генераторов
(х3). Двумерные сечения в изолиниях и поверхности откликов трехфакторных моделей энергетических затрат, температуры нагрева и производительности установки и регрессионные зависимости приведены на рис. 2.
Эффективные режимы разогрева коровьего молозива от 1,0 до 40 оС в ЭМПСВЧ следующие: удельная мощность СВЧ-генератора — 0,8 Вт/г; продолжительность воздействия ЭМПСВЧ в резонаторе — 8 мин.; мощность СВЧ-генераторов — 2,4 кВт. При этом производительность установки составляет 20-22 кг/ч, энергетические затраты -0,13-0,14 кВт-ч/кг.
Варьировали Xj и X2 при Х3 = 2,4 кВт / Varied Xj and X2 were varied at X3 = 2.4 kW
Q = 193,53-186,23-х1-744,91-х2 + + 44^xj2 + 389,38^X2 + 703,95^
W = -0,019 + 0,036-Xj + 0,104^x2-0,011xj2 + + 0,99^X2 + 0,036^22
Р = 3,09E-12+9,06-XJ-60,44-X2 + + 3,4539^xj2 + 225^x2 + 455,2632-х22
ОМЧ = 4,73E5 + 3,87E5-Xj + 2,21E6^X2-+1,0362E5V-2,875E6^X2-3,6579E6^2
Варьировали Xj и X3 при Х2 = 0,2 ч (12 мин.) / Varied Xj and X3 were varied at X2 = 0.2 h (12 min)
Q = -6,47 + 14,43-xi + 36,31^X2 + + 50,58^x:2-55,55^xi^x2 + 4,83-X2
W = 0,49-0,45^xj-0,2^X2-0,012^X!2 + + 0,28[xrx2 + 0,001^X2
Р = 188,28-178,31-Xj-80,92-X2 + + 8,06-Xj2 + 93,75-хгх2 + 2,8^х2
ОМЧ = -2,5E5+1,06E6-Xj + 5,45Е5^х2--1,1E5^12-5,16E5^rx2-50986,84^2
Варьировали X2 и X3 при Х3 = 0,8 Вт/г/Varied X2 and X3 were varied at X3 = 0.8 W/g
Q = -36,47+57,73-х1+36,31-х2 + + 809,21^-222,19^ ^х2 + 4,83^22
W = 0,44-1,65^x1-0,1843x2-0,0166^x12 + + 1,0687^х2 + 0,0003-х2
Р = 143,40-596,23^x1-59,61^x2 + + 444,737^ + 300-xfx2 + 1,48^22
ОМЧ = -2,12E5 + 4,59E6x + 5E5x2--3,34E6V-2E6^x2-44407,9]x22
Рис. 2. Двумерные сечения в изолиниях и поверхности откликов трехфакторных моделей при варьировании факторов Fig. 2. Two-dimensional cross-sections in isolines and response surfaces of three-factor models with varying Источник: разработано авторами
Таблица 2. Матрица активного планирования эксперимента типа 23 Table 2. Matrix of active planning of the experiment type 23
Варьируемые параметры / Variable parameters
Масса загрузки в резонатор, кг/ Loading mass
into the resonator, kg
Удельная мощность генератора, Вт/г / Specific power of the generator, W/g
Продолжительность обработки, т, мин. / ч / Processing time, т, min. / h
Мощность СВЧ-установки, кВт (n - количество генераторов, шт.) / Microwave power, kW (n - number of generators, pcs.)
№
G
Х1
Py
yd_
Х2
мин.
ч
Х3
n, шт.
Ре
Р
др_
Рген + Рдр
Р
общ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
2,67 1,33 4 8 3 6 2 3
3 2
4
+ +
+
0 0 0 0
1,2 1,2 0,4 0,4 0,8 0,4 1,2 0,8 0,8 0,8 0,8
+ +
0 0
0
+
0 0
18 6 18 6 12 12 12 6 18 12 12
0,3 0,1 0,3 0,1 0,2 0,2 0,2 0,1 0,3 0,2 0,2
+
+
0 0 0 0
0
+
4 2 2 4 3 3 3 3
3 2
4
3,2 1,6 1,6 3,2 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 1,6 3,2
0,15 0,05 0,18 0,25 0,16 0,20 0,1 0,16 0,16 0,1 0,18
3,35 1,65 1,78 3,45 2,56 2,6 2,5 2,56 2,56 1,7 3,38
3,53 1,83 1,96 3,63 2,74 2,78 2,68 2,74 2,74 1,88 3,56
Источник: составлено авторами
Таблица 3. Критерии оптимизации процесса разогрева коровьего молозива Table 3. Criteria for optimizing the process of heating cow colostrum_
№ Производительность установки, кг/ч / Installation productivity, kg/h Энергетические затраты, кВтч/кг / Energy costs, kWh/kg Температура молозива, °С / Colostrum temperature, °С ОМЧ, КОЕ/г / Total microbial count, CFU/g
Y1(Q) Y2 (W) Y3 (Т) Y4 (ОМЧ)
1 8,9 0,397 120 50000
2 13,3 0,137 42 610000
3 13,3 0,147 54 600000
4 80 0,045 12 700000
5 15 0,183 52 540000
6 30 0,093 28 660000
7 10 0,268 75 450000
8 30 0,0913 25 670000
9 10 0,274 86 400000
10 10 0,188 52 580000
11 20 0,178 52 500000
Источник: составлено авторами
Таблица 4. Технические характеристики СВЧ-установки для разогрева коровьего молозива Table 4. Technical characteristics of the microwave heating system cow colostrum
Производительность, кг/ч / Capacity, kg/h Потребляемая мощность СВЧ-установки, кВт / Power consumption of the microwave installation, kW Мощность электродвигателя вентилятора, кВт / Fan motor power, kW Мощность привода диэлектрического контейнера, кВт / Drive power of the dielectric container, kW Потребляемая мощность трех СВЧ-генераторов, кВт / Power consumption of three microwave generators, kW Удельная мощность генератора, Вт/г / Specific power of the generator, W/g Удельные энергетические затраты на разогрев жидкого молозива, кВтч/кг / Specific energy costs for heating liquid colostrum, kWh/kg Источник: составлено авторами
20-22 2,74 0,16 0,18
2,4 0,8 0,13-0,14
0
Заключение
1. Характер изменения фактора диэлектрических потерь сырья от температуры в зависимости от агрегатного состояния противоположный, поэтому СВЧ-установка должна содержать два резонатора, обеспечивающих разные дозы воздействия ЭМПСВЧ. Один резонатор для дефростации от -10 до 0 оС, другой резонатор — для подогрева до 38-40 °С. Резонаторы должны разделять твердую и жидкую фазы сырья при температуре, равной температуре фазового превращения, в связи с чем разработана двухрезонаторная установка, обеспечивающая дефростацию и разогрев сырья в непрерывном режиме.
2. Конструкционное исполнение и стыковка двух конических резонаторов с усеченными вершинами обеспечивает разделение сырья при температуре фазового превращения и равномерное воздействия ЭМПСВЧ за счет пространственного переме-
щения замороженного сырья в одном резонаторе и постепенного стекания жидкого сырья тонким слоем в соответствии с глубиной проникновения во втором резонаторе.
3. Наличие в коническом резонаторе областей с резко выраженным экспоненциальным законом изменения поля позволяет усечь вершину на уровне критического сечения, в области которых за счет интерференции волн возбуждается электрическое поле высокой напряженности, достаточной для снижения бактериальной микрофлоры в сырье.
4. Многолетний опыт применения СВЧ-энер-гии при переработке сельскохозяйственного сырья и опыт других авторов [18; 19; 20] подтверждает перспективы микроволновой дефростации и разогрева молозива животных при правильном конструкционном исполнении резонаторов и расчете базовых узлов, в том числе электродинамических параметров установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Травина Е. А. Методика исследований электрофизических характеристик сыпучих пищевых продуктов // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО. 2017. С. 295-296.
2. Головач Т. Н., Козич О. Г., Асафов В. А., Таньков Н. Л., Искакова Е. Л., Мяленко Д. М., Харитонов Д. В., Курченко В. П. Нативное и ферментированное коровье молозиво как компонент продуктов функционального назначения // Труды Белорусского государственного университета. Серия: Физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. 2014. Т. 9. № 2. С. 224-235.
3. Тихонов А. А., Осокин В. Л. Рабочие камеры СВЧ установок для термообработки сырья в непрерывном режиме с соблюдением электромагнитной безопасности // Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК. М. : РГАУ-МСХА, 2019. С. 111-119.
4. Тихонов А. А., Жданкин Г. В. Методика проектирования СВЧ установок для термообработки сырья в непрерывном режиме // Научно-техническое обеспечение АПК Сибири. Краснообск. ФБУН СФН ЦА РАН,
2019. С.314-319.
5. Жданкин Г. В., Самоделкин А Г., Белова М. В. Патент № 2694179 РФ, МПК А23К10/00. Многомодульная центробежная сверхвысокочастотная установка для термообработки сырья животного происхождения и отделения жидкой фракции / заявитель и патентообладатель НГСХА (ЯИ). № 2017108665; заявл. 13.03.2017. Бюл. № 5 от 20.02.2019. 15 с.
6. Петров С. В. Микроволновая дефростация - альтернативы нет // Мясные технологии. 2009. № 10. С.40-41.
7. Новикова Г. В., Просвирякова М. В., Михайлова О. В. и др. Патент № 2744423 РФ, МПК А47J.39/00. СВЧ установка непрерывно-поточного действия с коническими резонаторами для размораживания и разогрева коровьего молозива; заявитель и патентообладатель НГИЭУ ^Ц). № 2020131230; заявл. 10.09.2020. Бюл. № 7 от 09.03.2021. 10 с.
8. Морозов А. О., Прокопенко А. В. Микроволновая дефростация пищевой продукции в России // Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти Василия Матвеевича Горбатова. 2018. № 1. С. 168-171.
9. Николаев Н. С., Корниенко В. Н., Пляшешник П. И., Донецких А. Г. Определение режимов замораживания пищевых продуктов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий.
2020. Т.82. № 2. С. 17-24. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-2-17-24
10. Кирпичников В. П., Ботов М. И., Давыдов Д. М. Размораживание и разогрев кулинарных полуфабрикатов в разовой упаковке // Пищевая промышленность. 2004. № 3. С. 78-79.
11. Диденко А. Н. СВЧ-энергетика. Теория и практика. М. : Наука, 2003. 446 с.
12. Шматько А. А., Одаренко Е. Н. Электроника сверхвысоких частот. Основы теории и лабораторный практикум : учебное пособие / Под ред. А. А. Шматько; М-во образования и науки Украины, Харьковский нац. ун-т им. В. Н. Каразина. Харьков, 2003. 246 с.
13. Замотринский В. А., Соколова Ж. М., Падусова Е. В., Шантана Л. И. Электромагнитные поля и волны. Учебное пособие. Томск, 2012. 181 с.
14. Остапенков А. М. Стерилизующие свойства электромагнитного поля СВЧ диапазона // Электронная обработка материалов. 1981. № 1. С. 9.
15. Шевченко Т. В., Захарова Л. М. Влияние микроволнового воздействия на кисломолочные микроорганизмы // Фундаментальные исследования. 2014. № 6. Ч. 2. С. 271-274.
16. Педенко А. И., Белицкий Б. И., Лерина И. В. Действие электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона на микроорганизмы // Известия вузов. Пищевая технология. 1982. № 5. С. 54-56.
17. Гришина Е. М., Архангельский Ю. С. Многокритериальная технико-экономическая оптимизация в СВЧ электротермии // Вестник Саратовского государственного технического университета. Т. 1. № 1 (69). 2013. С. 21-27.
18. Ушакова Н. Ф., Копысова Т. С., Касаткин В. В., Кудряшова А. Г. Опыт применения СВЧ-энергии при производстве пищевых продуктов // Пищевая промышленность. 2013. № 10. С. 30-32.
19. Орлов В. В., Алферов А. С. Перспективы применения микроволновой обработки жидких пищевых продуктов // НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2006. № 2 (2). С. 52-54.
20. Гришина Е. М. Расчет установки для СВЧ обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами // Вестник Саратовского государственного технического университета. Т. 2. № 2с (66). 2012. С.54-58.
Дата поступления статьи в редакцию 09.06.2021,принята к публикации 05.07.2021.
Информация об авторах: НОВИКОВА ГАЛИНА ВЛАДИМИРОВНА,
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия,
Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а
E-mail: [email protected]
Spin-код: 3317-5336
ЕРШОВА ИРИНА ГЕОРГИЕВНА,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Адрес: Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5 E-mail: [email protected] Spin-код: 5832-2508
ПРОСВИРЯКОВА МАРЬЯНА ВАЛЕНТИНОВНА,
доктор технических наук, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация»
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия,
Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а
E-mail: [email protected]
Spin-код: 5642-4560
МИХАЙЛОВА ОЛЬГА ВАЛЕНТИНОВНА,
доктор технических наук, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: [email protected] Spin-код: 9437-0417
Заявленный вклад авторов:
Новикова Галина Владимировна: общее руководство проектом, проведение критического анализа материалов, обоснование параметров, формулирование заключения.
Ершова Ирина Георгиевна: анализ диэлектрических параметров молозива животных, проведение экспериментальных исследований динамики нагрева коровьего молозива, получение регрессионных уравнений. Просвирякова Марьяна Валентиновна: сбор и обработка материалов, подготовка текста статьи, разработка конструкционного исполнения установки.
Михайлова Ольга Валентиновна: критический анализ результатов экспериментальных исследований и их систематизация, доработка текста.
Все авторы прочитали, одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES:
1. Travina E. A. Metodika issledovanij elektrofizicheskih harakteristik sypuchih pishchevyh produktov [Methods of researching the electrophysical characteristics of bulk food products], Al'manah nauchnyh rabot molodyh uchenyh Universiteta ITMO [Almanac of scientific works of young scientists of ITMO University], 2017, pp. 295-296.
2. Golovach T. N., Kozich O. G., Asafov V. A., Tan'kov N. L., Iskakova E. L., Myalenko D. M., Hari-tonov D. V., Kurchenko V. P. Nativnoe i fermentirovannoe korov'e molozivo kak komponent produktov funkcion-al'nogo naznacheniya [Native and fermented bovine colostrum as a component of functional products], Trudy Belo-russkogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Fiziologicheskie, biohimicheskie i molekulyarnye osnovy funkcion-irovaniya biosistem [Proceedings of the Belarusian State University. Series: Physiological, biochemical and molecular foundations of the functioning of biosystems], 2014, Vol. 9, No. 2, pp. 224-235.
3. Tihonov A. A., Osokin V. L. Rabochie kamery SVCH ustanovok dlya termoobrabotki syr'ya v nepreryvnom rezhime s soblyudeniem elektromagnitnoj bezopasnosti [Working chambers of microwave installations for heat treatment of raw materials in a continuous mode in compliance with electromagnetic safety], Peredovye dostizheniya v primenenii avtomatizacii, robotizacii i elektrotekhnologij v APK [Advanced achievements in the application of automation, robotiza-tion and electrical technologies in the agro-industrial complex], Moscow: RGAU-MSKHA, 2019, pp. 111-119.
4. Tihonov A. A., Zhdankin G. V. Metodika proektirovaniya SVCH ustanovok dlya termoobrabotki syr'ya v nepreryvnom rezhime [Technique for designing microwave installations for heat treatment of raw materials in a continuous mode], Nauchno-tekhnicheskoe obespechenie APK Sibiri [Scientific and technical support of the agro-industrial complex of Siberia], Krasnoobsk, FBUN SFN CA RAN, 2019, pp. 314-319.
5. Zhdankin G. V., Samodelkin A G., Belova M. V. Patent No. 2694179 RF, MPK A23K10/00. Mnogomo-dul'naya centrobezhnaya sverhvysokochastotnaya ustanovka dlya termoobrabotki syr'ya zhivotnogo proiskhozhdeniya i otdeleniya zhidkoj frakcii [Multi-module centrifugal ultra-high-frequency unit for heat treatment of raw materials of animal origin and separation of liquid fraction], zayavitel' i patentoobladatel' NGSKHA (RU). No. 2017108665; za-yavl. 13.03.2017, Byul. No. 5 ot 20.02.2019, 15 p.
6. Petrov S. V. Mikrovolnovaya defrostaciya - al'ternativy net [Microwave defrosting - there is no alternative], Myasnye tekhnologii [Meat technologies], 2009, No. 10, pp. 40-41.
7. Novikova G. V., Prosviryakova M. V., Mihajlova O. V. i dr. Patent No. 2744423 RF, MPK A47J.39/00. SVCH ustanovka nepreryvno-potochnogo dejstviya s konicheskimi rezonatorami dlya razmorazhivaniya i razogreva korov'ego moloziva [Microwave installation of continuous flow action with conical resonators for defrosting and warming up cow colostrum], zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU), No. 2020131230; zayavl. 10.09.2020, Byul. No. 7 ot 09.03.2021, 10 p.
8. Morozov A. O., Prokopenko A. V. Mikrovolnovaya defrostaciya pishchevoj produkcii v Rossii [Microwave defrosting of food products in Russia], Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya, posvyashchennaya pamyati Vasiliya Matveevicha Gorbatova [International scientific and practical conference dedicated to the memory of Vasily Matveyevich Gorbatov], 2018, No. 1, pp. 168-171.
9. Nikolaev N. S., Kornienko V. N., Plyasheshnik P. I., Doneczkikh A. G. Opredelenie rezhimov zamora-zhivaniya pishchevyh produktov [Determination of food freezing conditions], Vestnik Voronezhskogo gosudarstven-nogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2020, Vol. 82, No. 2, pp. 17-24. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-2-17-24
10. Kirpichnikov V. P., Botov M. I., Davydov D. M. Razmorazhivanie i razogrev kulinarnyh polufabrikatov v razovoj upakovke [Defrosting and warming up culinary semi-finished products in single packaging], Pishchevaya promyshlennost' [Food industry], 2004, No. 3, pp. 78-79.
11. Didenko A. N. SVCH-energetika. Teoriya i praktika [Microwave power engineering. Theory and practice], Moscow: Nauka, 2003, 446 p.
12. Shmat'ko A. A., Odarenko E. N. Elektronika sverhvysokih chastot. Osnovy teorii i laboratornyj praktikum [Electronics of ultrahigh frequencies. Fundamentals of theory and laboratory practice: study guide], In A. A. Shmat'ko (ed.), Har'kovskij nac. un-t im. V. N. Karazina. Har'kov, 2003, 246 p.
13. Zamotrinskij V. A., Sokolova Zh. M., Padusova E. V., Shantana L. I. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves. Tutorial], Tomsk, 2012, 181 p.
14. Ostapenkov A. M. Sterilizuyushchie svojstva elektromagnitnogo polya SVCH diapazona [Sterilizing properties of the microwave electromagnetic field], Elektronnaya obrabotka materialov [Electronic material processing], 1981, No. 1, pp. 9.
15. Shevchenko T. V., Zaharova L. M. Vliyanie mikrovolnovogo vozdejstviya na kislomolochnye mikroor-ganizmy [Influence of microwave exposure on fermented milk microorganisms], Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental research], 2014, No. 6, Part 2, pp. 271-274.
16. Pedenko A. I., Belickij B. I., Lerina I. V. Dejstvie elektromagnitnogo polya sverhvysokochastotnogo dia-pazona na mikroorganizmy [The effect of the electromagnetic field of the ultrahigh-frequency range on microorganisms], Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya [Izvestiya vuzov. Food technology], 1982, No. 5, pp. 54-56.
17. Grishina E. M., Arhangel'skij yu. S. Mnogokriterial'naya tekhniko-ekonomicheskaya optimizaciya v SVCH elektrotermii [Multicriteria technical and economic optimization in microwave electrothermy], Vestnik Sara-tovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], Vol. 1, No. 1 (69), 2013, pp. 21-27.
18. Ushakova N. F., Kopysova T. S., Kasatkin V. V., Kudryashova A. G. Opyt primeneniya SVCH-energii pri proizvodstve pishchevyh produktov [Experience in the use of microwave energy in the production of food products], Pishchevayapromyshlennost' [Food industry], 2013, No. 10, pp. 30-32.
19. Orlov V. V., Alferov A. S. Perspektivy primeneniya mikrovolnovoj obrabotki zhidkih pishchevyh produk-tov [Prospects for the use of microwave processing of liquid food products], NIUITMO. Seriya «Processy i apparaty pishchevyh proizvodstv» [NRU ITMO. Series «Processes and Apparatus for Food Production»], 2006, No. 2 (2). pp. 52-54.
20. Grishina E. M. Raschet ustanovki dlya SVCH obrabotki materialov s razlichnymi dielektricheskimi svojst-vami [Calculation of the installation for microwave processing of materials with different dielectric properties], Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], Vol. 2, No. 2s (66), 2012, pp. 54-58.
The article was submitted 09.06.2021, accept for publication 05.07.2021.
Information about the authors: NOVIKOVA GALINA VLADIMIROVNA, Dr. Sci. (Engineering), professor, chief researcher
Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia,
Nizhny Novgorod region, Knyaginino, Oktyabrskaya str., 22a
E-mail: [email protected]
Spin-code: 3317-5336
ERSHOVA IRINA GEORGIEVNA,
Ph. D. (Engineering), Senior Researcher
Address: Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 109428, Russia, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5 E-mail: eig85@ yandex.ru Spin-code: 5832-2508
PROSVIRYAKOVА MARIANA VALENTINOVNA,
Dr. Sci. (Engineering), professor of the Department «Electrification and Automation» Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia, Nizhny Novgorod region, Knyaginino, Oktyabrskaya str., 22a E-mail: [email protected] Spin-code: 5642-4560
MIKHAILOVA OLGA VALENTINOVNA,
Dr. Sci. (Engineering), professor of the Department «Infocommunication Technologies and Communication Systems»
Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia,
Nizhny Novgorod region, Knyaginino, Oktyabrskaya str., 22a
E-mail: [email protected]
Spin-code: 9437-0417
Contribution of the authors:
Galina V. Novikova: general project management, critical analysis of materials, justification of parameters, formulation of the conclusion.
Irina G. Ershova: analysis of dielectric parameters of animal colostrum, conducting experimental studies of the dynamics of heating of cow colostrum, obtaining regression equations.
Mariana V. Prosviryakova: collection and processing of materials, preparation of the text of the article, development of the structural design of the installation.
Olga V. Mikhailova: critical analysis of the results of experimental studies and their systematization, revision of the text.
All authors read and approved the final version of the manuscript.
