CC BY
40
05.20.01
УДК 635.21:638.17
СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫТОПКИ ПЧЕЛИНОГО ВОСКА
© 2020
Александр Владимирович Шевелев, аспирант Галина Владимировна Новикова, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Ольга Валентиновна Михайлова, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Марьяна Валентиновна Белова, доктор технических наук, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация» Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)
Аннотация
Введение: статья посвящена разработке способа и технического устройства для вытопки пчелиного воска путем воздействия ЭМПСВЧ. Установка может быть использована для отделения меда и вытопки воска из пчелиного воскового сырья в пасечных условиях.
Материалы и методы: последовательность исследований: анализ электрофизических параметров пчелиного воска и меда; исследования динамики нагрева компонентов сырья в ЭМПСВЧ; исследования электродинамических показателей системы; обоснование конструкционно-технологических параметров и разработка 3D модели установки.
Результаты и обсуждение: целью научных исследований является разработка способа вытопки пчелиного воска путем воздействия ЭМПСВЧ, обеспечивающего улучшение качества продукта при сниженных эксплуатационных затратах. В работе приведено описание разработанной установки. Первый модуль установки содержит соосно расположенные неферромагнитные усеченные конусы, между которыми находится диэлектрическая коническая тарелка, образующая которой имеет прорези. Вместо нижнего основания внутреннего конуса соосно установлен цилиндрический резонатор, нижнее основание которого представлено в виде неферромагнитного терочного диска, жестко установленного на вал электродвигателя вместе с диэлектрической конической тарелкой. На верхнем основании резонатора расположена емкость, содержащая неферромагнитные валки, а на боковой поверхности — магнетроны. Наружный усеченный конус содержит сливной патрубок и выгрузное отверстие, состыкованное с отверстием на поверхности сферического резонатора, расположенного во втором модуле. Внутри сферического резонатора расположен диэлектрический перфорированный диск, а снаружи установлены магнетроны, и предусмотрен запредельный волновод с шаровым краном. Заключение: из-за того, что кристаллизованный мед начинает плавиться при температуре 40-45 °С, а пчелиный воск плавится при температуре 64 °С, осуществить эти процессы в одном резонаторе СВЧ-установки сложно. Поэтому разработана установка, обеспечивающая вытопку воска воздействием ЭМПСВЧ соответствующей дозы и разделение воскового сырья на отдельные компоненты.
Ключевые слова: вытопка, двухмодульная установка, динамика нагрева, мед, пчелиный воск, сферический резонатор, сверхвысокая частота, электромагнитное поле, электрофизические параметры.
Для цитирования: Шевелев А. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Белова М. В. СВЧ-установка для вытопки пасечного воска // Вестник НГИЭИ. 2020. № 5 (108). С. 16-28.
MICROWAVE INSTALLATION FOR HEATING BEESWAX
© 2020
Alexander Vladimirovich Shevelev, the postgraduate student Galina Vladimirovna Novikova, Dr. Sci. (Engineering), Professor, chief researcher Olga Valentinovna Mikhailova, Dr. Sci. (Engineering), associate Professor, Professor of the chair «Infocommunication technologies and communication systems» Mariana Valentinovna Belova, Dr. Sci. (Engineering), Professor of the chair «Electrification and automation» Nizhny Novgorod state engineering and economic University, Knyaginino (Russia)
Abstract
Introduction: the article is devoted to the development of a method and technical device for melting beeswax by exposure to emph. The unit can be used for separating honey and heating wax from bee wax raw materials in apiary conditions.
16
Materials and methods: research sequence: analysis of the electrophysical parameters of beeswax and honey; research of the dynamics of heating of raw materials components in the EMP; research of electrodynamic parameters of the system; justification of design and technological parameters and development of a 3D model of the installation. Results and discussion: the aim of the research is to develop a method for melting beeswax by exposure to EMPHP, which provides improved product quality with reduced operating costs. The paper describes the developed installation. It contains in the first module coaxially arranged non-ferromagnetic truncated cones, between which a dielectric conical dish with slots on the side is coaxially located. In place of the lower base of the inner cone, a cylindrical resonator is coaxially installed, the lower base of which is represented as a non-ferromagnetic grating disk rigidly mounted on the motor shaft together with a dielectric conical plate. On the upper base of the resonator is a container containing non-ferromagnetic rolls, and on the side surface - magnetrons. The outer truncated cone contains a drain pipe and a discharge hole that is docked with a hole on the surface of a spherical resonator located in the second module. A dielectric perforated disk is located inside the spherical resonator, and magnetrons are installed on the outside, and an exorbitant waveguide with a ball valve is provided.
Conclusion: due to the fact that crystallized honey begins to melt at a temperature of 40-45 °C, and beeswax melts at a temperature of 64°C, it is difficult to carry out these processes in a single resonator of a microwave installation. Therefore, an installation has been developed that ensures that the wax raw material is heated by the action of the appropriate dose for wax and honey AND that they are separated into separate components.
Keywords: heating, two-module installation, heating dynamics, honey, beeswax, spherical resonator, ultrahigh frequency, electromagnetic field, electrophysical parameters.
For citation: Shevelev A.V., Novikova G. V., Mikhailova O. V., Belova M. V. Microwave installation for heating beeswax // Bulletin NGIEI. 2020. № 5 (108). P. 16-28.
Введение
В пчеловодстве широко применяют вощину, которую вырабатывают из пчелиного воска [1; 2; 3]. Пасеки в России могут полностью удовлетворить спрос на пчелиный воск, если перерабатывать восковое сырье без потерь.Известно, что технология пасечной переработки воскового сырья включает: установку пасечных рамок в гнезда медогонки; откачку мёда в медогонке; снятие рамок с сотами из медогонки после откачки меда; загрузку рамок с сотами в паровую центрифугу-воскотопку, например, ПВЦС-1М. Полученную эмульсию с примесями размещают в полотняный мешок и с помощью воскопресса отделяют отходы (мерву) от суспензии, которая далее охлаждается до температуры застывания. Это и есть чистый воск - готовая продукция. На пасеках накапливается восковое сырье, к нему относятся [4; 5; 6]:
- светлые и потемневшие выбракованные соты;
- восковые наросты, снятые с планок рамок, стенок ульев;
- крышечки, срезаемые при распечатывании медовых сотов (забрус);
- кусочки сот, скапливающиеся на дне ульев;
- прополис, снятый с верхних брусков рамок и холстиков;
- отходы, получаемые при переработке первичного сырья - пасечные вытопки и т. п.
Высокую восковитость, близкую к 100 %, имеет забрус и светлые восковые наросты на план-
ках рамок. В них достаточно много меда. Известно, что в 30 кг забруса содержится воск 6,3 кг (22 %); мерва 1 кг (3 %) и мед 22,7 кг (75 %) [7].
На пасекахвосковое сырье перерабатывают в паровых воскотопках разных конструкций. Принцип действия их основан на вытопке воска за счет пара и отделении пасечной мервы фильтрованием или прессованием [8; 9]. Но собранное восковое сырье содержит достаточно много меда, а в воскотоп-ке отделить мед от воска не удается.
Поэтому разрабатывается двухмодульная установка для термообработки воскового сырья воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Предлагаемая технология переработки воскового сырья, содержащего достаточное количество меда, предусматривает отделение меда от общей массы и вытопку обеззараженного пасечного воска при воздействии ЭМПСВЧ.
Материалы и методы Научно-технические задачи решаются в следующей последовательности: анализ электрофизических параметров пчелиного воска и меда; исследования динамики нагрева компонентов сырья в ЭМПСВЧ; исследование электродинамических показателей системы «генератор-резонатор-сырье»; обоснование конструкционно-технологических параметров и разработка 3D-модели установки; создание лабораторного образца установки и исследование динамики нагрева сырья; исследование снижения общего микробного числа в сырье; проведение
оценки органолептических показателей вытопленного пчелиного воска; оценку критериев путем варьирования влияющих факторов на технологический процесс при активном планировании экспериментов и анализ регрессионных моделей для оптимизации режимных параметров термообработки пчелиного воска в СВЧ-установке.
Результаты и обсуждение
В настоящее время на пасеках для выполнения этих операций применяют отдельные устройства. Для термообработки пчелиного воскового сырья применяют воскопрессы, высокотемпературные воскотопки (ВВТ-1П «Мелисса»), центрифуги-воскотопки (ПВЦС-1М) и т. п. При этом качество вытопленной продукции зависит от множества факторов, в том числе от температуры и продолжительности обработки [10; 11]. При термообработке воскового сырья повышение температуры выше 70-80 °С нежелательно, так как это приводит к ухудшению качества конечной продукции. С учетом требований, предъявляемых к технологии переработки воскового сырья, разработана СВЧ-установка, состоящая из двух модулей, позволяющая совмещать процессы отделения имеющегося в сырье меда, вытапливания и обеззараживания воздействием ЭМПСВЧ пчелиного воска.
Аналогом первого модуля служит соковыжималка «Нептун», состоящая из конической и дисковой терок, диэлектрической тарелки с прорезями, поддона и электропривода [12].
Известна многомодульная центробежная сверхвысокочастотная установка для термообработки сырья животного происхождения и отделения жидкой фракции (патент № 2694179), где каждая рабочая камера состоит из верхней и нижней части [13]. Верхняя часть камеры из неферромагнитного материала представлена как соосно состыкованные периметрами большого и малого диаметров усеченные конические корпуса. При этом во внутреннем усеченном коническом корпусе к образующей пристыкована усеченная коническая часть резонатора, выполненная в виде терки с внутренней насечкой. В нижней части рабочей камеры соосно расположены тарелка и поддон в виде усеченных конусов и установленных на вал электродвигателя. Образующая диэлектрической тарелки имеет прорези, а к кольцевому основанию неферромагнитного поддона, расположенного под наклоном, пристыкован сливной патрубок. В тарелку уложена и закреплена с помощью зажимного винта дисковая терка как основание конического резонатора.
Недостатки. Отделить мед от воска из воскового сырья с помощью данной установки не уда-
ется из-за различия температуры плавления и большой вязкости.
Известна СВЧ-установка с тороидальным резонатором для термообработки отходов яиц (патент № 2999753) [14]. Вертикально на каркасе установлены два соосно расположенных усечённых конуса из неферромагнитного материала без верхних оснований большого диаметра, малыми основаниями вниз, образуя тороидальный резонатор с наклонным прямоугольным сечением тора и конденсаторной частью, образованной соосно установленной полусферой вместо малого основания внутреннего усеченного конуса и малым основанием наружного усеченного конуса. Внутри тороидального резонатора соосно установлена на вал электропривода диэлектрическая коническая тарелка с терочным неферромагнитным диском без перфорации. По периметру основания полусферы установлены магнетроны. На образующей наружного усеченного конуса имеется выгрузное отверстие, находящееся над краем диэлектрической конической тарелки, под которым расположена съемная накопительная емкость.
Недостатки. Устройство может разделить сырье на жидкую и твердую фракции, но растопленный мед может содержать частички вытопленного воска, так как нет возможности регулировки дозы воздействия на компоненты. Из-за того, что кристаллизованный мед начинает плавиться при температуре 40-45 °С, а пчелиный воск плавится при температуре 64 °С, в одном резонаторе осуществить эти процессы сложно. Поэтому технической задачей является разработка установки, обеспечивающей вытопку воска воздействием ЭМПСВЧ соответствующей дозы и разделение воскового сырья на отдельные компоненты.
Известны технологии вытопки пасечного воска эндогенным нагревом, но в периодическом режиме [15; 16; 17; 18; 19].
Целью научных исследований является разработка и обоснование параметров СВЧ-установки для вытопки пасечного воска при сниженных эксплуатационных затратах.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие научные задачи:
1. Разработать способ вытопки пасечного воска путем воздействия ЭМПСВЧ, обеспечивающий улучшение качества продукта при сниженных эксплуатационных затратах.
2. Разработать конструкционное электромагнитно безопасное исполнение СВЧ-установки с объемными резонаторами, реализующими вытопку пасечного воска в непрерывном режиме.
3. Создать лабораторный образец СВЧ-установки для термообработки пчелиного воска и испытать его на пасеке, позволяющий обосновать конструкционно-технологические параметры и режимы работы через регрессионные модели технологического процесса.
4. Оценить технико-экономическую эффективность применения СВЧ-установки для термообработки пасечного воска и выработать рекомендации по эксплуатации ее на пасеке.
В настоящей работе приведено описание разработанной установки, принцип действия которой обоснован с учетом анализа электрофизических параметров меда и пчелиного воска.
Рабочей камерой, разрабатываемой нами СВЧ-установки, в которой происходит воздействие ЭМП на сырье, является резонаторная электродинамическая система [20, с. 327]. Такая электродинамическая система должна обеспечить необходимую мощность и напряженность электрического поля, высокую собственную добротность резонатора и выполнение требований к введению технологического процесса вытопки пчелиного воска с отделением остаточного меда. При этом необходимо реализовать нужный температурный режим обработки. Резонаторная электродинамическая система должна иметь устройства для непрерывной подачи сырья и выгрузки готовой продукции, обеспечивающие электромагнитную безопасность для обслуживающего персонала, например запредельные волноводы. Рабочей камерой при этом служит объемный резонатор, обладающий резонансными свойствами, где установится стоячая волна, образованная в результате многократных отражений электромагнитной волны от его неферромагнитных стенок. Объемные резонаторы представляют собой колебательные системы, собственные частоты которых совпадают с резонансными частотами. Однако, резонатор имеет множество собственных колебаний. Это зависит от числа полуволн, укладывающихся вдоль стенок резонатора и типа волны. Для традиционных конфигураций резонаторов имеются формулы, позволяющие определить резонансные длины волн в зависимости от конструкционных размеров, с учетом целого числа стоячих полуволн. Основными характеристиками объемного резонатора являются: резонансная частота, активная проводимость, собственная добротность, характеризующая отношение энергии, накопленной в резонаторе, к энергии, рассеянной в резонаторе за период колебаний. Собственная добротность тем выше, чем больше отношение объема резонатора к площади его поверхности, значит, самой большой добротностью обладает сферический резонатор.
При расчете и конструировании резонансной электродинамической системы основными задачами являются: согласование рабочей полосы частот резонатора и генератора; обеспечение необходимой равномерности нагрева сырья; согласование объема загрузки сырья с мощностью генератора и со скоростью нагрева. При большой загрузке добротность резонатора падает, но согласовать ввод энергии в резонатор легче. Спектр собственных частот резонатора с большим объемом сырья с малыми значениями диэлектрической проницаемости (пчелиный воск е = 2,32) почти не отличается от спектра резонатора без нагрузки. Линейные размеры объемного резонатора СВЧ-установок желательно должны превышать в 5-6 раз длину волны генератора (12,24 см) [20, с. 336]. Для увеличения равномерности нагрева сырья можно возбудить несколько собственных видов колебаний (изменяя параметры резонатора), имеющих различное расположение узлов и пучностей электрического поля. Можно вблизи ввода волны в резонатор располагать диссектор, который изменяет фазу отраженной волны, что, свою очередь, вызывает изменение частоты, генерируемой магнетроном. Тогда еще более увеличивается число видов колебаний в резонаторе, а это обеспечивает более равномерное распределение электрического поля по объему резонатора.
Для увеличения равномерности нагрева пчелиного воска можно возбуждать ЭМП в резонаторе двумя и более магнетронами, работающими на одной частоте или на разных частотах (например, 915 МГц и 2450 МГц или 33,3 см и 12,24 см); магнетроном, работающим с изменяющейся частотой генерации. Применяя два и более магнетрона, можно увеличить число возбуждаемых в данном частотном диапазоне видов колебаний, и значит увеличить равномерность электрического поля в резонаторе. Чтобы исключить выбивание одного магнетрона другим, необходимо обеспечить развязку между ними. Это возможно, если каждый излучатель СВЧ-энергии располагать вблизи узла магнитного поля колебаний, возбуждаемых другим излучателем. Например, в сферическом резонаторе три излучателя располагать пространственным сдвигом на 120 градусов.
Итак, результатом расчетов и теоретических исследований должно быть обоснование соотношения конструкционных размеров резонатора, обеспечивающих равномерный спектр частот, а следовательно, равномерный нагрев сырья. Блок-схема реализации технологического процесса термообработки пчелиного воска с использованием СВЧ-установки приведена на рис. 1.
СВЧ-УСТАНОВКА, обеспечивающая вытопку пчелиного воска с отделением остаточного меда из пчелиного воскового сырья / MICROWAVE INSTALLATION, providing heating of beeswax with separation of residual honey from beeswax raw materials СВЧ-установка, обладающая необходимой мощностью, напряженностью электрического поля для реализации эффективного температурного режима / A microwave installation that has the necessary power and electric field strength to implement an effective temperature response
Основным критерием является равномерный нагрев пчелиного воска в резонаторе при сниженных эксплуатационных затратах /The main criterion is uniform heating of beeswax in the resonator with reduced operating costs
^ ^^^^^ ^^^^^^ состоящая из ,
СВЧ-генератора (магнетрона, волновода с излучателем) сопределенной частотой излучения и мощности / Microwave generator (magnetron, waveguide with emitter) with a certain frequency of radiation and power согласованные / agreed объемного резонатора, выполненного в виде резонансной электродинамической системы, характеризующейся резонансной частотой, проводимостью, собственной добротностью / volumetric resonator, made in the form of a resonant electrodynamic system characterized by a resonant запредельных волноводов (устройства для подачи сырья и выгрузки продукта) / beyond waveguides (devices for feeding raw materials and unloading the product)
frequency, conductivity, and intrinsic q-factor
с резонансной частотой, зависящей от конструкционных размеров и конфигурации резонатора, когда линейные размеры резонатора в 5-6 раз больше длины волны генератора / with resonant frequency depending on the design dimensions and configuration of the resonator, when the linear dimensions of the resonator are 5-6 times the wavelength of the generator
Варианты обеспечения равномерного нагрева сырья в резонаторе/ Options for ensuring uniform heating of raw materials in the resonator
достижения равномерного распределения ЭП в резонаторе за счет / achieving a uniform distribution of EP in the resonator by путем согласования глубины проникновения ЭМП в сырье с размерами его частиц, перемещения в объеме резонатора / by matching the depth of EMF penetration in the raw material with the size of its particles, moving in the resonator volume
использования диссектора для изменения частоты генератора, увеличения числа видов колебаний в резонаторе, способствующего равномерному распределению ЭП в резонаторе / using a dissector to change the frequency of the oscillator, increase the number of types of vibrations in the resonator, which contributes to the equal distribution of EP in the resonator применение более двух магнетронов с одинаковой частотой или работающие на разных частотах / use of more than two magnetrons with the same frequency or operating at different frequencies
Рис. 1. Блок-схема реализации технологического процесса термообработки пчелиного воска с использованием СВЧ-установки Fig. 1. Block diagram of the implementation of the technological process of heat treatment of beeswax using a microwave installation
Проанализированы электрофизические параметры сырья (рис. 2) и получены эмпирические выражения.
С учетом основных критериев — равномерный нагрев пчелиного воска в резонаторе при снижен-
ных эксплуатационных затратах, разработаны СВЧ-установки, обладающие необходимой мощностью, напряженностью электрического полядляреализа-ции эффективного температурного режима.
Температура нагрева воска, °С / The temperature of the wax, °С
Рис. 2. Изменение плотности пчелиного воска в зависимости от температуры нагрева Fig. 2. Changing the density of beeswax depending on the heating temperature
Плотность пчелиного воска колеблется от 950-970 кг/м3 при температуре 20 °С. С повышением температуры плотность воска снижается. Температурный коэффициент плотности при температурах ниже и выше температуры плавления воска 64 °С изменяется от 0,5 до 0,6 и соответственно от 0,7 до 0,8, на каждый градус температуры [10]. Удельная теплоемкость меда зависит от агрегатного состояния, влажности и температуры. С повышением темпера-
туры меда в закристаллизованном состоянии удельная теплоемкость уменьшается, а для медов, находящихся в жидком состоянии, — увеличивается. Например, теплоемкость кипрейного меда в закристаллизованном состоянии равна 835,2 Дж/кг-°С, при температуре 10-20 °С, а в жидком - 941 Дж/кг-°С.
Эмпирическое выражение, описывающее изменение плотности пчелиного воска в зависимости от температуры нагрева: р = 983,97е"8Е_04Т
1800
0 1750
° 9
г О
Ь ^
^ 1700
« ъ
и
Л
g -1з 1650
1 op
a cs
в u н
1600
1550
1500
17 4 2, 6
y — 0 ,12 6 7x _ 4 4 59 x + 15 8 1, 1
16 5 0
5 52 ,6 1 58 0
5 52 ,6
5 50
70
Рис. 3. Fig. 3 .
0 10 20 30 40 50 60
Температура нагрева меда, °С / The temperature of honey, °С Изменение теплоемкости меда в зависимости от температуры нагрева Changing the heat capacity of honey depending on the heating temperature
Эмпирическое выражение, описывающее зависимость теплоемкости (С) меда от температуры нагрева (Т) в виде полинома:
С = 0,127-Т - 4,95Т + 1581,1. (1)
Электрофизические параметры пчелиного воска следующие.
Фактор диэлектрических потерь пчелиного воска колеблется в пределах 1,16-4,98, тангенс угла
диэлектрических потерь - от 0,49 до 2,16 при изменении температуры с 25 до 55 °С. Эмпирические зависимости диэлектрических параметров пчелиного воска от температуры нагрева следующие: к = 4,79-1п(Т)-14,17; tgS = - 0,05-1п(Т)+2,51; е = 2,093-1п(Т)-6,23. (2) Плотность меда 1350 кг/м3, плотность воска 961-968 кг/м3. Теплоемкость пчелиного воска 2 930
Дж /кг-°С. Наибольшей теплоемкостью при влажности 21 % характеризуются закристаллизованный акациевый мед (1 552,6 Дж/кг-°С, при температуре 0-10 °С) и незакристаллизованный гречишный мед (1742,6 Дж/кг-°С, при температуре 50-60 °С).
Удельная мощность/^, выделяемая в единице объема пчелиного воска при нагреве в ЭМПСВЧ: Pуд = 5,55 • 10-11 • f • k • E2 = 5.55 • 10-11 • 2450 • 106 • 4.98 • E2 = 0.67 • E2. (3) где Е — напряженность электрического поля, В/м; f — частота электрического поля; k — фактор диэлектрических потерь.
Если необходимая скорость нагрева ДТ/Дт пчелиного воска не менее 1,0 оС/с, то надо обеспечить удельную мощность генератора 4,04 Вт/см3:
АТ 1 1
Р=_.р.С-= 1-965-2930 ■ — = уд Дт н У] 0.7
= 4039214 Вт/м3 = 1,04 Вт/см3 , (4)
где п - КПД установки.
При такой удельной мощности напряженность электрического поля в пчелином воске составит: 0 , 6 7-Е2 = 4039214,
ДТ 1 Дт = — ■ р ■ С- =
УД
Y]
40392014
Е = = 2455 в/м = 0,02 кВ/см. (5)
л] 0,67 ' У '
Пчелиный воск имеет электрическую прочность 25-30 кВ/см. Кристаллизованный мед плавится при температуре выше 40 °С. С учетом того, что пчелиный воск плавится при температуре 63,5-63,7 °С, вычислим продолжительность обработки сырья для приращения температуры 50 °С (начальная температура сырья 20 °С): 50
• 96 5 • 293 0 •—^= 5 0 с . (6) ] 4039214 0,7
А Т 1
Аг =--р • C — =
руд
При скорости нагрева пчелиного воска 1,0 °С/с нагрев до температуры 70 °С будет происходить за 50 с.
Используя 3 генератора полезной мощностью по 850 Вт, можем обеспечить напряженность электрического поля в объемном резонаторе за счет интерференции волн напряженностью 0,2 кВ/см, в пределах 0,8-1,0 кВ/см и удельную мощность СВЧ-генератора 0,85 Вт/г.
Роб/G = 850-3/3000 = 0,85 Вт/г = 0,85-106 Вт/м3. Тогда продолжительность вытопки пчелиного воска составит:
ДТ 1 Дт = —-р-Сг =
гуд
50 1
- о„г "965■2930■ — = У] 0,85 ■ 106 0,7
= 237 с = 3,95 мин. = 0,066 ч. (7)
Вычислим, за какой промежуток времени расплавится мед при удельной мощности 0,85-106 Вт/м3, плотности 1350 кг/м3, теплоемкости 1552,6 Дж /кг-°С.
25 1
= - 1 3 5 0 - (2 9 3 0 - 1 6 0 0) - — =
0,85 ■ 106 4 ^ 0,7
= (88,2...90,75) с я 1,5 мин. (8)
Результаты исследования показывают, что мед растопится за 1,5 мин, а пчелиный воск -3,95 мин. Расчетная производительность с тремя генераторами составит Q = 3/0,066 = 45,45 кг/ч, напряженность электрического поля в резонаторе в пределах 1 кВ/см.
Поэтому для отделения меда от воскового сырья и вытопки пчелиного воска разработана СВЧ-установка с нетрадиционными объемными резонаторами, где можно обеспечить высокую напряженность электрического поля за счет интерференции электрических полей и направленного излучения нескольких магнетронов в один объемный резонатор. Разработанная двухмодульная СВЧ-установка для термообработки пчелиного воскового сырья состоит из двух модулей (рис. 4). Первый модуль сконструирован по принципу соковыжималки «Нептун» и предназначен для предварительного диэлектрического нагрева сырья и плавления меда и отделения его от воскового сырья центрифугированием. Второй модуль предназначен для вытопки и обеззараживания отделенного пчелиного воска в сферическом резонаторе, где возбуждается электромагнитное поле сверхвысокой частоты. Первый модуль СВЧ-установки содержит два вертикально соосно расположенных усечённых конуса 5, 7 из неферромагнитного материала без верхних оснований, малыми основаниями вниз. Кольцевой промежуток между верхними краями усеченных конусов закрыт неферромагнитным материалом. Между этими усеченными конусами соосно расположена диэлектрическая коническая тарелка 6. На основании диэлектрической конической тарелки 6 соосно расположен неферромагнитный терочный диск 8, совместное вращение которых осуществляется от электродвигателя 10. На месте малого основания внутреннего усеченного конуса соосно установлен неферромагнитный цилиндр 3 в экранирующем цилиндре 11 без нижнего основания, а на верхнее основание установлена приемная емкость 1, содержащая неферромагнитные рифленые валки 2. На боковой поверхности неферромагнитного цилиндра 3 установлены магнетроны 4 со сдвигом на 120 градусов. Неферромагнитный цилиндр и неферромагнитный терочный диск 8 образуют цилиндрический резонатор, и при этом зазор между ними менее четверти длины волны. На образующей наружного усеченного конуса 7 имеется выгрузное от-
верстие 12, находящееся над краем диэлектрической конической тарелки 6. К выгрузному отверстию пристыкован сферический резонатор 14 так, что имеющееся на поверхности отверстие 13 такого же размера и прямоугольного сечения состыкованы. Внутри сферического резонатора в горизонтальной плоскости, ниже отверстия, расположен фторопластовый перфорированный диск 15, вращающийся от электродвигателя 18. С наружной стороны сферического резонатора расположены магнетроны 17 с излучателями, направленными внутрь, с пространственным сдвигом на 120 градусов, и запредельный волновод 16 с шаровым краном для слива готовой продукции.
Высокая интенсивность теплообмена в данной СВЧ-установке достигается путем совмещения процесса измельчения сырья терочным диском в центробежном поле и эндогенного нагрева с процессом предварительного отделения меда от воска и вытопки его под воздействием ЭМПСВЧ. При этом в каждом резонаторе появляется возможность регулировать дозу воздействия ЭМПСВЧ в соответствии с их температурой плавления (воск плавится при температуре выше 64 °С, а мед - выше 40 °С). Итак, двухмодульная СВЧ-установка для термообработки воскового сырья и отделения меда в непрерывном режиме содержит два резонатора. В первом модуле технологический процесс отделения меда от воскового сырья происходит в цилиндрическом резонаторе 3, а во втором — вытопка пасечного воска в сферическом резонаторе 14.
Технологический процесс термообработки пчелиного воскового сырья и отделения меда происходит следующим образом. В первом модуле технологический процесс основан на измельчении воскового сырья с помощью дисковой терки, диэлектрическом нагреве в цилиндрическом резонаторе и отжиме измельченных масс через прорези диэлектрической тарелки за счет центробежных сил. Загрузить пчелиное восковое сырье в приемную емкость 1, включить электропривод, обеспечивающий вращение неферромагнитного терочного диска 8 и конической диэлектрической тарелки 6.
Далее включить электропривод рифленых неферромагнитных валков 2. Как только восковое сырье окажется в цилиндрическом резонаторе 3 с экранирующим корпусом 11, включить сверхвысокочастотные генераторы (магнетроны 4). Открыть сливной патрубок 9. В цилиндрическом резонаторе
восковое сырье перемешивается и измельчается при вращении неферромагнитного терочного диска 8 и подвергается воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты (длина волны 12,24 см, частота 2 450 МГц). При диэлектрическом нагреве пчелиного воскового сырья в первую очередь растапливается мед. Восковое сырье, попадая в коническую диэлектрическую тарелку 6, прижимается к ее боковой поверхности и поднимается вверх к выгрузному отверстию 12 на наружном усечённом корпусе 7. При этом жидкий мед за счет центробежной силы при прижатии сырья к боковой поверхности диэлектрической тарелки 6 вытекает через ее прорези, далее сливается через патрубок 9. Отделение воска от меда за счет создания избыточного давления между конической диэлектрической тарелкой 6 с прорезями и усеченными конусами 5, 7 происходит в области отжима. Функцию центрифуги выполняет диэлектрическая коническая тарелка 6 с прорезями на боковой поверхности, а неферромагнитный терочный диск 8 является основанием цилиндрического резонатора 3 и способствует измельчению сырья. Такая конструкция рабочей камеры с цилиндрическим резонатором, имеющим вращающееся основание, и конической тарелкой с прорезями обеспечивает предварительный диэлектрический нагрев воскового сырья и разделение его на мед - жидкую фракцию и воск - твердую фракцию. Фильтрация растопленного меда от воскового сырья через прорези на боковой поверхности конической диэлектрической тарелки 6 происходит за счет центробежных сил. Твердая фракция (воск) попадает во второй модуль через отверстие 13, имеющееся на поверхности сферического резонатора 14. Во втором модуле закрыть шаровой кран 16 на запредельном волноводе, после чего включить электродвигатель 18 привода перфорированного диэлектрического диска 15, генераторы (магнетрон 17). Воск, попадая на вращающийся диэлектрический диск 15 в ЭМПСВЧ, растапливается, обеззараживается и, протекая через перфорацию, накапливается на дне сферического резонатора 14. При достижении эффективной температуры воск сливают через запредельный волновод, открывая шаровой кран 16 на определенный расход.
Исходное восковое сырье может иметь разный вид и процентное содержание меда. Производительность установки зависит от количества генераторов.
б
Рис. 4. СВЧ-установка для вытопки воскового сырья: а) схематическое изображение; б) пространственное изображение; 1 - приемная емкость; 2 - рифленые неферромагнитные валки; 3 - цилиндрический резонатор; 4 - магнетроны; 5 - внутренний усеченный конус; 6 - коническая диэлектрическая перфорированная тарелка; 7 - наружный усеченный конус; 8 — неферромагнитный терочный диск; 9 - сливной патрубок; 10 - электродвигатель; 11 - корпус; 12 - выгрузное отверстие на наружном усечённом корпусе; 13 - отверстие в сферическом резонаторе; 14 - сферический резонатор; 15 - диэлектрический перфорированный диск; 16 - запредельный волновод с шаровым краном Fig. 4. Microwave installation for heating wax raw materials: a) schematic image; b) spatial image; 1 — receivingcontainer; 2 — fluted non-ferromagnetic rolls; 3 — cylindrical resonator; 4 — magnetrons; 5 — internal truncated cone; 6 — conical dielectric perforated plate; 7 — external truncated cone; 8 — non-ferromagnetic disk; 9 — drain pipe; 10 — electric motor; 11 — housing; 12 — discharge hole on the outer truncated housing; 13 — hole in a spherical resonator; 14 — spherical resonator; 15 — dielectric perforated disk; 16 — beyond-the-limit waveguide with a ball valve
Заключение
Для реализации микроволновой технологии в сельскохозяйственном производстве, в том числе в пчеловодстве, важно знать законы распространения и поглощения сырьем СВЧ-колебаний и иметь разнообразные рабочие камеры, обеспечивающие генерирование электромагнитных колебаний с необходимой частотой и амплитудой и отвечающие ряду требований технологического процесса.
Энергоподвод к восковому сырью в электромагнитном поле способствует значительной интенсификации процесса вытопки воска, повышению качества продукта. При проектировании СВЧ-установок важно базироваться на известных принципах технологии переработки воскового сырья: от детального изучения электрофизических характеристик меда и воска к выбору генераторов излучения и проектированию резонаторных камер
а
для непрерывного режима работы, обеспечивающих высокую собственную добротность и напряженность электрического поля.
Для получения продукта высокого качества рекомендуется при загрузке резонатора восковым сырьем в пределах 1 кг и поддерживать значение удельной мощности на уровне 0,85-1 Вт/г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колеватов С. К. Вытопка воска // Пчеловодство, 2010. № 1. С. 45.
2. Колеватов С. К., Берзин А. Э. Вытопка воска // Пчеловодство. 2010. № 2. С. 36.
3. Рогов А. А. Технология и агрегат для вытопки воска из пчелиных сотов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Рязанский государственный агротехнологический ун-ститут. Рязань, 2009. 20 с.
4. Некрашевич В. Ф., Торженова Т. В., Лузгин Н. Е., Нагаев Н. Б., Грунин Н. А. Исследование процесса вытопки воска // Пчеловодство. 2014. № 3. С. 50-51.
5. Некрашевич В. Ф., Нагаев Н. Б., Торженова Т. В., Епифанцев Д. А., УрляповМ. В. Агрегат для вытопки воска // Пчеловодство. 2015. № 2. С. 58-59.
6. Ефимов В. М. Эффективный способ получения воска // Пчеловодство. 2007. № 5. С. 44-45.
7. А что в забрусе? / Материалы сайта «Пчеловодство» [Электронный ресурс]. Режим досту-па:https://beejournal.ru/razvedenie-i-soderzhanie-lubitel/2560-a-chto-v-zabruse
8. Некрашевич В. Ф., ГайбарянМ. А., Горшков В. В., Мишаков А. А. К вопросу механизации переработки воскового сырья // Проблемы механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства. 2012. № 3. С. 224-232.
9. Белов А. Г. Воскотопка из мантовницы // Пчеловодство. 2016. № 9. С. 44.
10. Некрашевич В. Ф., Лузгин Н. Е., Нагаев Н. Б., Грунин Н. А., Урляпов М. В., Ушаков А. И., Водя-ков В. Н. Исследование теплофизических и реологических свойств воскового сырья и воска // В сборнике: Исследования молодых ученых - аграрному производству // Материалы онлайн-конференции, посвященной Дню российской науки. Ассоциация аграрных вузов ЦФО. 2015. С. 102-110.
11. Лузгин Н. Е., Утолин В. В., Нагаев Н. Б., Лузгина Е. С., Грунин Н. А. Результаты изучения свойств пчелиного воска // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П. А. Ко-стычева. 2017. № 1 (33). С. 80-85.
12. Электросоковыжималка «Нептун». Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. Режим до-ступа:http://www.avtomash.ru/katalog/pred/sht/neptun/productions/izml/iz-neptun/iz-neptun_pasport.pdf
13. Жданкин Г. В., Самоделкин А. Г., Белова М. В., Михайлова Е. Д. Патент № 2694179 РФ, МПК А23К10/00. Многомодульная центробежная сверхвысокочастотная установка для термообработки сырья животного происхождения и отделения жидкой фракции; заявитель и патентообладатель НГСХА ^Ц). № 2017108665; заявл. 13.03.2017. Бюл. № 5 от 20.02.2019. 15 с.
14. Орлова О. И., Шамин Е. А., Жданкин Г. В., Михайлова О. В., Белова М. В. Патент 2999753 № РФ, МПК А47j29/06. СВЧ-установка с тороидальным резонатором для термообработки отходов яиц; заявитель и патентообладатель НГИЭУ ^Ц).№ 2018136712; заявл. 17.10.2018. Бюл. № 25 от 09.09.2019. 14 с.
15. Сергеева Е. Ю., Максимов Е. Г., Белов А. А. Технология вытопки пасечного воска эндогенным нагревом // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. 2013. № 2 (78). С. 130-133.
16. Максимов Е. Г., Сергеева Е. Ю. СВЧ-установка для вытопки пасечного воска // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. 2013. № 4-2 (80). С. 116-119.
17. Дунаева Т. Ю., Фокин А. Н. Переработка забруса в микроволновой печи // Пчеловодство. 2011. № 8. С. 54-56.
18. Некрашевич В. Ф., Нагаев Н. Б., Торженова Т. В., Липин В. Д. Агрегат для вытопки воска // Патент на полезную модель RU 2528960. Заявка № 2013112090/13 от 18.03.2018.
19. Кудряков Е. В., Яковлев Д. А. Разработка индукционной воскотопки с применением конвекционного обогрева воска // В сборнике: Материалы 62-й студенческой научно-практической конференции инженерного факультета ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия». 2017. С. 94-97.
20. Технологическое оборудование пищевых производств. Под ред. Б. М. Азарова. М. : Агропромиздат, 1988. 463 с.
Дата поступления статьи в редакцию 20.02.2020, принята к публикации 16.03.2020.
25
Информация об авторах: Шевелев Александр Владимирович, аспирант
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: shevelev522@mail.ru Spin-код: 8308-0752
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: NovikovaGalinaV@yandex.ru Spin-код: 3317-5336
Михайлова Ольга Валентиновна, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Адрес: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 606340, Россия, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22а E-mail: ds17823@yandex.ru Spin-код: 9437-0417
Белова 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: maryana_belova_803@mail.ru Spin-код: 5642-4560
Заявленный вклад авторов:
Шевелев Александр Владимирович: проведение патентно-информационного поиска, анализ научной литературы.
Новикова Галина Владимировна: формирование идеи воздействия ЭМПСВЧ на восковое сырье в двух резонаторах, теоретическое обоснование конструкционно-технологических параметров установки. Михайлова Ольга Валентиновна: подготовка текста статьи, разработка конструкционного исполнения установки, формулирование выводов.
Белова Марьяна Валентиновна: анализ диэлектрических параметров сырья, проведение экспериментальных исследований динамики нагрева воскового сырья.
Все авторы прочитали, одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Kolevatov S. K. Vytopkavoska [Wax melting], Pchelovodstvo [Beekeeping], 2010. No. 1. pp. 45.
2. Kolevatov S. K., Berzin A. E. Vytopkavoska [Wax melting], Pchelovodstvo [Beekeeping], 2010. No. 2. pp. 36.
3. Rogov A. A. Tekhnologiya i agregat dlya vytopki voska iz pchelinyh sotov [Technology and unit for melting wax from honeycombs. Ph. D. (Engineering) thesis], Ryazanskij gosudarstvennyj agrotekhnologicheskij unstitut. Ryazan', 2009. 20 p.
4. Nekrashevich V. F., Torzhenova T. V., Luzgin N. E., Nagaev N. B., Grunin N. A. Issledovanieprocessa-vytopkivoska[Investigation of the process of melting wax], Pchelovodstvo [Beekeeping], 2014. No. 3. pp. 50-51.
5. Nekrashevich V. F., Nagaev N. B., Torzhenova T. V., Epifancev D. A., Urlyapov M. V. Agregat dlya vytopki voska [An Aggregate for the extraction of wax], Pchelovodstvo [Beekeeping], 2015. No. 2. pp. 58-59.
6. Efimov V. M. Effektivnyj sposob polucheniya voska [Effective method of obtaining wax],Pchelovodstvo [Beekeeping], 2007. No. 5. pp. 44-45.
7. A chto v zabruse? [What's in zabrus], Materialysajta «Pchelovodstvo» [Elektronnyj resurs]. Available at: https://beejournal.ru/razvedenie-i-soderzhanie-lubitel/2560-a-chto-v-zabruse
8. Nekrashevich V. F., Gajbaryan M. A., Gorshkov V. V., Mishakov A. A. K voprosu mekhanizacii pererabotki voskovogo syr'ya [On the issue of mechanization of processing of wax raw materials], Problemy mekhanizacii agro-
himicheskogo obsluzhivaniya sel'skogo hozyajstva [Problems of mechanization of agrochemical service of agricultural enterprises], 2012. No. 3. pp. 224-232.
9. Belov A. G. Voskotopka iz mantovnicy[Voskotopka from buntovnici], Pchelovodstvo [Beekeeping], 2016. No. 9. pp. 44.
10. Nekrashevich V. F., Luzgin N. E., Nagaev N. B., Grunin N. A., Urlyapov M. V., Ushakov A. I., Vodya-kov V. N. Issledovanie teplofizicheskih i reologicheskih svojstv voskovogo syr'ya i voska [Investigation of thermo-physical and rheological properties of wax raw materials and wax]. V sbornike: Issledovaniya molodyh uchenyh -agrarnomu proizvodstvu. Materialy onlajn-konferencii, posvyashchennoj Dnyu rossijskoj nauki [In the collection Research ofyoung scientists on agricultural production. Materials of the online conference dedicated To the day of Russian science. Association of agricultural universities of the Central Federal district], Associaciya agrarnyh vuzov CFO. 2015. pp. 102-110.
11. Luzgin N. E., Utolin V. V., Nagaev N. B., Luzgina E. S., Grunin N. A. Rezul'taty izucheniya svojstv pche-linogo voska [Results of studying the properties of beeswax], Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnolog-icheskogo universiteta im. P. A. Kostycheva [Bulletin of the Ryazan state agrotechnological University P. A. Kostycheva], 2017, No. 1 (33), pp. 80-85.
12. Elektrosokovyzhimalka «Neptun» [«Neptune» Electric Juicer] Rukovodstvo po ekspluatacii [Elektronnyj resurs]. Available at: http://www.avtomash.ru/katalog/pred/sht/neptun/productions/izml/iz-neptun/iz-neptun_pasport.pdf
13. Zhdankin G. V., Samodelkin A. G., Belova M. V., Mihajlova E. D. Patent No. 2694179 RF, MPK A23K10/00. Mnogomodul'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 animal raw materials and separation of liquid fraction], zayavitel' i patentoobladatel' NGSKHA (RU). No. 2017108665; zayavl. 13.03.2017. Byul. No. 5 ot 20.02.2019. 15 p.
14. Orlova O. I., Shamin E. A., Zhdankin G. V., Mihajlova O. V., Belova M. V. Patent 2999753 No. RF, MPK A47j29/06. SVCh ustanovka s toroidal'nym rezonatorom dlya termoobrabotki othodov yaic [Microwave installation with a toroidal resonator for heat treatment of egg waste], zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). No. 2018136712; zayavl. 17.10.2018. Byul. No. 25 ot 09.09.2019. 14 p.
15. Sergeeva E. Yu., Maksimov E. G., Belov A. A. Tekhnologiya vytopki pasechnogo voska endogennym nagrevom [Technology of melting apiary wax with endogenous heating ], Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universitetaim. I. Ya. Yakovleva [Bulletin of the Chuvash state pedagogical University. I. Ya. Ya-kovleva], 2013, No. 2 (78), pp. 130-133.
16. Maksimov E. G., Sergeeva E. Yu. SVCh-ustanovka dlya vytopki pasechnogo voska [Microwave installation for melting apiary wax], Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta im. I. Ya. Ya-kovleva [Bulletin of the Chuvash state pedagogical University I. Ya. Yakovleva], 2013, No. 4-2 (80), pp. 116-119.
17. Dunaeva T. Yu., Fokin A. N. Pererabotka zabrusa v mikrovolnovoj pechi [Processing of zabrus in a microwave oven], Pchelovodstvo [Beekeeping], 2011, No. 8, pp. 54-56.
18. Nekrashevich V. F., Nagaev N. B., Torzhenova T. V., Lipin V. D. Agregat dlya vytopki voska [The Unit for melting wax], Patent napoleznuyu model' RU 2528960. Zayavka No. 2013112090/13 ot 18.03.2018.
19. Kudryakov E. V., Yakovlev D. A. Razrabotka indukcionnoj voskotopki s primeneniem konvekcionnogo obogreva voska [Development of an induction wax heater using convection heating of wax], V sbornike: Materialy 62-j studencheskoj nauchno-prakticheskoj konferencii inzhenernogo fakul'teta FGBOU VO «Samarskaya gosudar-stvennaya sel'skohozyajstvennaya akademiya» [In the collection: Materials of the 62nd student scientific and practical conference of the engineering faculty of the Samara state agricultural Academy»], 2017, pp. 94-97.
20. Tekhnologicheskoe oborudovanie pishchevyh proizvodstv [Technological equipment for food production], In B. M. Azarov (ed.), Moscow: Agropromizdat, 1988. 463 p.
Submitted 20.02.2020; revised 16.03.2020.
Author information: Alexander V. Shevelev, the postgraduate student
Address: Nizhny Novgorod state engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya str., 22a E-mail: shevelev522@mail.ru Spin-code8308-0752
Galina V. Novikova, Dr. Sci. (Engineering), Professor, chief researcher
Address: Nizhny Novgorod state engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino,
Oktyabrskaya str., 22a
E-mail: NovikovaGalinaV@yandex.ru
Spin-code3317-5336
Olga V. Mikhailova, Dr. Sci. (Engineering), associate Professor,
Professor of the chair «Infocommunication technologies and communication systems»
Address: Nizhny Novgorod state engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino,
Oktyabrskaya str., 22a
E-mail: ds17823@yandex.ru
Spin-code 9437-0417
Mariana V. Belova, Dr. Sci. (Engineering), associate Professor of the chair «Electrification and automation» Address: Nizhny Novgorod state engineering and economic university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya str., 22a E-mail:maryana_belova_803@mail.ru Spin-code 5642-4560
Contribution of the authors: Alexander V. Shevelev: conducting patent information search, analysis of scientific literature
Galina V. Novikova: formation of the idea of the effect of microwave EMF on wax raw materials in two resonators, theoretical justification of the design and technological parameters of the installation.
Olga V. Mikhailova: preparation of the article text, development of the installation design, formulation of conclusions.
Mariana V. Belova: analysis of the dielectric parameters of raw materials, conducting experimental studies of the dynamics of heating of wax raw materials.
All authors read and approved the final version of the manuscript.
