CC BY
112
ТЕХНОЛОГИЯ ХРАНЕНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ
Известия ТСХА, выпуск 6, 2014 год
УДК 631.362.36
СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНА И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ
А.А. БЕЛОВ2, В.Ф. СТОРЧЕВОй4, М.В. БЕЛОВА1, А.Н. КОРОБКОВ3
Казанский государственный аграрный университет;
2 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (Волжский филиал);
3 Нижегородский государственный инженерно-экономический институт;
4 РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)
В статье представлено описание сверхвысокочастотной (СВЧ) установки для обеззараживания зерна и зернопродуктов в поточном режиме. Она содержит цилиндрический неподвижный экранирующий корпус с приемным и выпускным патрубками, СВЧ-генераторные блоки. Внутри корпуса расположен ротор в виде двух плоских горизонтальных дисков, между которыми закреплены нижние части цилиндрических резонаторных камер, выполненных в виде вертикально расположенных беличьих клеток, собранных из втулок из неферромагнитного материала с зазором менее, чем четверть длины волны. В промежутке между верхним фторопластовым диском и крышкой экранирующего корпуса расположены верхние части резонаторных камер, выполненных в виде шаровых сегментов, внутрь которых направлены излучатели СВЧ-генераторов.
Ключевые слова: обеззараживание, энтолейтор, электромагнитное поле, сверхвысокая частота, ротор, объемный резонатор, зерно и продукты его переработки.
Известно, что обеззараживание зерна и продуктов его переработки производится в машинах ударного действия — энтолейторах. Такая технология обеззараживания обеспечивает уничтожение живых вредителей всего до 75-85% и 60-70% скрытой зараженности. Содержание битых зерен при этом увеличивается на 1-3% [1]. Поэтому разработка и проектирование новых технических средств и способов реализации процесса обеззараживания зерна и продуктов его переработки, позволяющих снизить энергетические затраты и улучшить качество продукта, актуальны.
Использование энергии электромагнитных излучений для этих целей ограничено из-за сложности обеспечения поточности технологического процесса. Существующие рабочие камеры сверхвысокочастотных установок позволяют транспортировать сырье через объемный резонатор в случае содержания запредельных волноводов или специальных шлюзов, ограничивающих мощность потока излучений.
101
Все эти дополнительные узлы сложны по конструкции, а также возникают трудности при настройке электродинамической системы «СВЧ-генератор — объемный резонатор — нагрузка» на необходимую частоту. Поэтому для обеспечения поточности технологического процесса разработка СВЧ-установки для обеззараживания зерна и продуктов его переработки с передвижными объемными резонаторами и запредельными волноводами, позволяющими снизить мощность потока излучений через приемные и выпускные патрубки, актуальна.
Методика исследований
Разработка и проектирование СВЧ-установки для обеззараживания зерна и продуктов его переработки заключается в решении комплекса взаимосвязанных задач. Это анализ физико-механических и диэлектрических свойств продукта, выбор метода энергоподвода и обоснование эффективных режимов воздействия электромагнитного поля СВч, расчеты теплообмена, конструктивное оформление установки с оснащением их контрольно-измерительной аппаратурой и системами автоматического регулирования и управления.
Математическое моделирование процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) на зерно и продукты его переработки включает в себя следующие этапы: формулировка физической модели процесса с учетом взаимодействия двух физических факторов — таких, как многократное ударное действие и эндогенный нагрев; математическое описание и составление алгоритма согласования параметров и режимов работы СВЧ-установки; решение целевой задачи и проверка адекватности полученного решения физической модели, описывающей процесс комплексного воздействия ЭМПСВЧ и многократного удара. Далее следует обосновать механизм процесса обеззараживания продукта, выбрать эффективный режим процесса и спроектировать установку соответствующей производительности, обладающей высокими технико-экономическими показателями.
Результаты и их обсуждение
Анализ технологий и технических средств для обеззараживания зерна и продуктов его переработки с использованием электрофизических способов показывает, что распространены технологии с использованием инфракрасных излучений (ИК) (микронизатор), энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) [2-4], но при этом достаточно большие энергозатраты. Например, имеется малогабаритная СВЧ-установка для тепловой обработки зерновых культур «Микронизатор-1» производительностью 200 кг/ч, при этом удельные энергетические затраты составляют 120-140 кВт/т.
Остаются малоисследованными объемные резонаторы, в которых энергия СВЧ-электромагнитных колебаний подается к сырью в поточном режиме, тогда как передвижные резонаторные камеры весьма перспективны. В связи с этим предлагается СВЧ-установка с передвижными резонаторными камерами, где обеззараживание зерна и зернопродуктов обеспечивается в поточном режиме за счет многократного ударного воздействия, интенсивного трения между зерновками, находящимися в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, что позволяет интенсифицировать технологический процесс, улучшить качество продукта при сниженных энергетических затратах.
102
Схематическое изображение СВЧ-установки для обеззараживания зерна и продуктов его переработки представлено на рисунке 1.
Ю
Рис. 1. СВЧ установка для обеззараживания зерна и продуктов его переработки: 1 — экранирующий корпус; 2 — нижние (передвижные) части резонаторной камеры; 3 — втулки из неферромагнитного материала; 4 — верхние (стационарные) части резонаторной камеры; 5 — диэлектрический диск; 6 — диск из неферромагнитного материала; 7 — СВЧ-генераторные блоки; 8 — излучатель внутри диэлектрической втулки 9; 10 — приемный патрубок; 11 — крышка экранирующего корпуса с смотровым окном 12; 13 — выпускной патрубок; 14 — электродвигатель; 15 — монтажная стойка
На монтажную стойку 15 установлен цилиндрический неподвижный экранирующий корпус 1. Верхнее основание выполнено в виде крышки 11. Она содержит смотровое окно 12, и по центральной оси крышки имеется отверстие для монтажа приемного патрубка 10. На боковой поверхности экранирующего корпуса установлен выпускной патрубок 13. Оба патрубка выполнены из неферромагнитного материала цилиндрической формы. Диаметр и длина патрубков 10, 13 согласованы с длиной волны СВЧ-диапазона с целью ограничения излучения. Поэтому приемный и выпускные патрубки выполняют функции запредельных волноводов. Приемный патрубок 10 расположен над отверстием в крышке 11 корпуса и верхнем диэлектри-
103
ческом диске 5 по центральной оси. На верхнем основании цилиндрического экранирующего корпуса 1 расположены несколько СВЧ-генераторных блоков 7 так, что их излучатели направлены во внутрь корпуса 1.
Внутри корпуса 1 расположен ротор, выполненный в виде двух плоских горизонтальных дисков 5, 6, между которыми по концентрической окружности жестко закреплены нижние части цилиндрических резонаторных камер (передвижные части) 2 (рис. 2). Передвижные резонаторные камеры 2 выполнены в виде беличьих клеток (рис. 3) и установлены в вертикальной плоскости. Они собраны из алюминиевых втулок 3, так что зазор между втулками меньше, чем четверть длины волны сверхвысокочастотного диапазона (например, при частоте 2450 МГц длина волны составляет 12,24 см, следовательно, зазор между втулками — менее 3,08 см).
Рис. 2. СВЧ-установки для обеззараживания зерна и продуктов его переработки (вид сверху в разрезе): 1 — экранирующий корпус; 2 — нижние (передвижные) части резонатор-ной камеры; 3 — втулки из неферромагнитного материала; 6 — диск из неферромагнитного материала; 7 — СВЧ-генераторные блоки; 13 — выпускной патрубок; 14 — электродвигатель
Рис. 3. Беличья клетка (нижняя часть резонаторной камеры, т.е. передвижная часть) и стационарная часть резонатор-ной камеры: 2 — нижняя (передвижная) часть резонаторной камеры; 3 — втулки из неферромагнитного материала; 4 — верхняя (стационарная) часть резонатор-ной камеры; 8 — излучатель внутри диэлектрической втулки 9
Нижний диск 6 выполнен из неферромагнитного материала, а верхний диск 5 — из фторопласта, который содержит по центральной оси отверстие для подачи зерна в рабочую камеру (в ротор). В промежутке между верхним фторопластовым диском 5 и крышкой 11 экранирующего корпуса 1 по концентрической окружности расположены верхние части резонаторных камер 4 (стационарные части). они выполнены в виде шаровых сегментов (рис. 3) и содержат по центральной оси, диэлектрические втулки 9. Эти втулки исключают коронирование между излучателем и поверхностью крышки 11 экранирующего корпуса 1. Во внутрь диэлектрических втулок 9 направлены соответствующие излучатели от СВч-генераторных блоков 7.
104
Диаметр шаровых (сферических) сегментов совпадает с диаметром нижних частей цилиндрических резонаторных камер. Количество СВЧ-генераторных блоков 7 влияет на производительность установки, их количество отличается от количества нижних частей резонаторных камер 2.
При этом ротор (2, 5, 6) приводится в движение от электродвигателя 14. Смотровое окно 12 выполнено из неферромагнитной мелкоячеистой сетки, покрытой термостойким стеклом, защищающим от утечки токов СВЧ.
Рабочий процесс в установке происходит следующим образом. Включают электродвигатель 14 для привода ротора 2, 5, 6. Исходное сырье через приемный патрубок 10 поступает в пространство между дисками 5 и 6 ротора через отверстие в верхнем диэлектрическом (фторопластовом) диске 5. Включают все СВЧ-генераторные блоки 7. В резонаторных камерах 2, 4 образуется электромагнитное поле сверхвысокой частоты. Зерно, находящееся внутри беличьей клетки, в процессе ее передвижения подвергается воздействию ЭМПСВЧ при стыковании со стационарной частью резонаторной камеры. При вращении ротора под действием центробежных сил инерции и воздушного потока продукт размола зерна движется от центра к периферии ротора, отбрасывается в зону резонаторных камер 2, где получает первое ударное воздействие. Затем зерно захватывается и разгоняется втулками и центробежными силами отбрасывается на экранирующий корпус 1, где получает второе ударное воздействие. В результате живые вредители уничтожаются, поврежденные зерна с личинками разрушаются, а личинки в основном погибают за счет нагрева в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. Вследствие многократных ударов о втулки 3 и корпус 1 зерновые продукты дополнительно измельчаются.
Под воздействием ЭМПСВЧ происходит поляризация диполей, за счет чего вырабатывается эндогенное тепло в зерне. Капиллярная влага интенсивно переходит в пар, вызывая резкий рост давления в зерне. Переход влаги в парообразное состояние и ее выталкивание на поверхность зерна происходят в результате избыточного давления. Содержание водорастворимых веществ увеличивается, что положительно влияет на органолептические свойства и консистенцию продукта. Наряду с этим уничтожаются фитопатогенная микрофлора зерна, вредители хлебных запасов и их личинки. Благодаря малой продолжительности воздействия ЭМПСВЧ практически полностью сохраняется витаминный комплекс продукта. Установка позволяет снизить энергетические затраты на обеззараживание зерна и продуктов его переработки, улучшить их энергетическую ценность.
Обеззараженное зерно и измельчённый продукт выводятся через выпускной патрубок 13. Подача исходного зерна через приемный патрубок 10 в рабочую камеру, мощности СВЧ-генераторов и частота вращения ротора регулируются.
Преимущества предложенной установки. Управляемая интенсивность воздействия ЭМПСВЧ, высокая уровень надежности, минимальные показатели переизмельчения продукта.
Заключение
Предложена конструкция СВЧ-установки для обеззараживания зерна и продуктов его переработки, где поточность технологического процесса обеспечивается с помощью ротора, содержащего между двумя горизонтально расположенными дисками нижние части цилиндрических резонаторных камер. Стационарные части резонаторов в виде шарового сегмента закреплены под верхним основанием цилин-
105
дрического экранирующего корпуса, содержащего приемный и выпускной патрубки, выполняющие функции запредельных волноводов. Исследования показывают, что микронизация эффективно действует на зерна бобовых культур. Микронизация уничтожает фитопатогенную микрофлору зерна и уменьшает общее микробное число в 5-6 раз. Наилучший эффект микронизации зерна бобовых культур достигается при воздействии ЭМПСВЧ в течение 50-60 с.
Библиографический список
1. Бутковский В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства. М.: ВО «Агропромиздат», 1989. 464 с.
2. Новикова Г.В., Белов А.А., Белова М.В. Микронизатор фуражного зерна. Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2014. 92 с.
3. Патент № 2502450 РФ, МПК А23М 17/00. СВЧ-индукционная установка для микро-низации зерна / А.А. Белов, М.В. Белова, Г.В. Новикова // Заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). № 2011128532/13; заявл. 08.07.2011 г.; опубл. 27.12.2013. Бюл. № 36. 6 с.
4. Патент № 2489068 РФ, МПК А23М 17/00. СВЧ-индукционная установка барабанного типа для микронизации зерна / М.В. Белова, Г.В. Новикова, О.В. Михайлова, А.А. Белов // Заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). № 2012100432; заявл.10.01.2012 г.; опубл. 20.08.2013. Бюл. № 22. 5 с.
MICROWAVE UNIT FOR DISINFECTION OF GRAIN AND GRAIN PRODUCTS
A.A. BELOV2, V.F. STORCHEVOY4, M.V. BELOVA1, A.N. KOROBKOV3
(1 Kazan State Agrarian University; 2 Moscow State Automobile and Road Technical University (Volga affiliate); 3 Nizhny Novgorod State Engineering-Economic Institute; 4 Russian Timiryazev State Agrarian University)
Development of microwave unit for disinfection of grain and grain products is quite relevant as it can ensure the stream-lining of technological process with the use of mobile cavity resonator and evanescent-mode waveguide which allow reducing the intensity of radiation flow through the inlet and outlet pipes. The research methodology is to solve a set of interrelated tasks. It includes the analysis of physical, mechanical and dielectric properties of the product, the choice of energy supply method and justification of effective modes of electromagnetic field effect of microwaves, heat exchange calculations, the structural design of the unit which should be equipped with control facilities and automatic regulation and management systems. Mathematical modeling of the impact of electromagnetic field of ultrahigh frequencies (EMFUHF) on grain and grain products includes the following stages: formulation of a physical model of the process based on the interaction of two physical factors, such as: the multiple hammering action and endogenous heating; mathematical description and drawing ofalgorithm for parameter matching and operation modes ofthe microwave unit; achieving the target and verifying the adequacy of the obtained solution of the physical model describing the process of integrated impact of both EMFUHF and repeated hammering impact. Moreover, it is necessary to substantiate the mechanism of product decontamination process, choose the most effective process mode and design microwave unit characterized by adequate capacity and high technical and economic indicators. Under the influence of EMFUHF the polarization of dipoles occurs resulting in endogenous heating generated in grain. Capillary moisture rapidly
turns into steam, causing a sharp rise of pressure in grain. The transformation of moisture into vapor state and its ejection to the grain surface is due to the excessive pressure. The content of soluble substances increases, which positively affects the organoleptic properties and texture of the product. At the same time the pathogenic microflora of grain, grain pests and their larvae are eliminated. Due to the short exposure duration of EMFUHF the vitamin complex of the product is almost completely preserved. This unit allows reducing the energy costs spent on decontamination of grain and grain products and improving their caloric value. The advantages of the proposed unit are the following: controlled intensity of EMFUHF impact, high level of reliability, minimum performance of overgrinding product.
Key words: disinfection, entoleter, electromagnetic field, ultrahigh frequencies, rotor, cavity resonator, grain and grain products.
Белов Александр Анатольевич — к. т. н., доц. кафедры сервиса транспортных и технологических машин Волжского филиала Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ), соиск. уч. степ. док. техн. наук кафедры технологий и машин в растениеводстве РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (125829, г. Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64; тел. (927) 127-63-15; e-mail: [email protected]).
Сторчевой Владимир Федорович — д. т. н., проф., проректор по учебной работе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; тел. (499) 976-21-50; e-mail: [email protected]).
Белова Марьяна Валентиновна — к. т. н., соиск. уч. степ. док. техн. наук кафедры машин и оборудования в агробизнесе Казанского государственного аграрного университета (420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 65; тел. (953) 015-53-94; e-mail: [email protected]).
Коробков Алексей Николаевич — асп., преп. кафедры электрификации и автоматизации Нижегородского государственного инженерно-экономического института (606340, Нижегородская обл., г. Княгинино, ул. Октябрьская, д. 22; тел. (920) 014-80-21; e-mail: aleksey. [email protected]).
Belov Aleksandr Anatolievich — PhD in Technical Sciences, associate professor of the department of technology and machines of Moscow State Automobile and Road Technical University, candidate for a degree of Doctor of Technical Sciences at the department of technology and machinery in crop production of Russian Timiryazev State Agrarian University; Volga affiliate of Moscow State Automobile and Road Technical University (MADI) (125829, Russia, Moscow, A-319, Lenin-gradsky Prospect, 64.; тел. (927) 127-63-15; e-mail: [email protected]).
Storchevoy Vladimir Fedorovich — Doctor of Technical Sciences, professor, vice-rector for academic affairs, Russian Timiryazev State Agrarian University (127550, Moscow, Timiryazevs-kaya street, 49; tel. (499) 976-21-50; e-mail: [email protected]).
Belova Mariana Valentinovna — PhD in Technical Sciences, candidate for a degree of Doctor of Technical Sciences at the department of machinery and equipment in agribusiness, Kazan State Agrarian University (420015, Russia, Kazan, Karl Marx street, 65; тел. (953) 015-53-94; e-mail: [email protected]).
Korobkov Alexey Nikolaevich — PhD student, assistant of the department of electrification and automation, teacher, Nizhny Novgorod State Engineering-Economic Institute (606340, Russia, Nizhny Novgorod region, Knyaginino city, October street, 22; tel. (920) 014-80-21; e-mail: aleksey. [email protected]).
107
