CC BY
5
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Научная статья
УДК 621.385.6, 637.2
DOI: 10.24412/2227-9407-2022-10-81-93
СВЧ-установка с тороидальным резонатором для дефростации молозива животных в непрерывном режиме
Ирина Георгиевна Ершова1, Ольга Валентиновна Михайлова2, Александр Анатольевич Тихонов3, Галина Владимировна Новикова4^, Николай Кириллович Кириллов5
1 Российский государственный аграрный университет - Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева, Москва, Россия
2 4Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия 3Нижегородская сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород, Россия
5 Чувашский государственный аграрный университет, Чебоксары, Россия
1 eig85@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0003-1126-3837
2 ds17823@yandex. ru, https://orcid. org/0000-0003-1045-2003
3 tichonov57@mail.ru
4NovikovaGalinaV@yandex.ruB!, https://orcid.org/0000-0001-9222-6450 5 dekanatJVmz@mail.ru
Аннотация
Введение. Целью настоящей работы является разработка СВЧ-установки с тороидальным резонатором, обеспечивающим дефростацию и разогрев молозива животных в разных дозах с учетом фазового перехода, путем расположения замороженного сырья в пластиковых бутылках в тороидальной части на уровне емкостного зазора и использования керамической емкости. Инновационная идея состоит в том, что конструкционное исполнение тороидального резонатора прямоугольного сечения обеспечивает перемещение в торе на уровне конденсаторной части замороженного сырья в пластиковых бутылках по диэлектрической платформе. А жидкое сырье разогревается и стерилизуется при высокой напряженности электрического поля в керамическом цилиндре, расположенном в конденсаторной части, позволяющем сконцентрировать энергию электромагнитных излучений в сырье.
Материалы и методы. Пространственное изображение СВЧ-установки моделировали в программе Компас 18.0. Пользуясь трехмерным моделированием объемных резонаторов в программе CST Microwave Studio, исследовали электродинамические параметры системы «генератор-тороидальный резонатор». Собственную добротность тороидального резонатора дополнительно вычисляли через площадь поверхности и объем с учетом поверхностного слоя. Для выявления эффективных режимов размораживания и разогрева молозива животных воспользовались ротатабельным планированием второго порядка, что позволило выявить эмпирические выражения, описывающие взаимосвязь критериев оценки эффективности процесса от варьируемых факторов. Результаты и обсуждение. СВЧ-установка содержит тороидальный резонатор, состоящий из тора прямоугольного сечения и конденсаторной части. Внутри резонатора соосно установлена диэлектрическая круглая платформа, на уровне конденсаторной части. Над диэлектрической платформой расположен ротор с диэлектрическими лопастями, вращающийся от электропривода. В конденсаторной части соосно установлен керамический цилиндр, куда пристыкован запредельный волновод с шаровым краном. На кольцевых основаниях резонатора, средний периметр которых кратен половине длины волны, имеются отверстия для тары, состыкованные с соответствующими шлюзовыми затворами.
Заключение. Выявлены эффективные режимы дефростации и разогрева молозива в СВЧ-установке: производительность 14-15 л/ч, температура разогретого молозива 35-38 °С.
., Михайлова О. В., Тихонов А. А., Новикова Г. В., Кириллов Н. К., 2022 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
81
© Ершова И. Г
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
Ключевые слова: волновод, дефростация, молозиво, режим работы, резонатор, электромагнитное излучение
Для цитирования: Ершова И. Г., Михайлова О. В., Тихонов А. А., Новикова Г. В., Кириллов Н. К. СВЧ-установка с тороидальным резонатором для дефростации молозива животных в непрерывном режиме // Вестник НГИЭИ. 2022. № 10 (137). С. 81-93. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-10-81-93
Microwave installation with a toroidal resonator for continuous defrosting of colostrum of animals
Irina G. Ershova1, Olga V. Mikhailova2, Alexander A. Tikhonov3, Galina V. Novikova4B, Nikolay K. Kirillov5
1 Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, Moscow, Russia
2 4 Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia
3 Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod, Russia 5 Chuvash State Agricultural University, Cheboksary, Russia
1 eig85@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0003-1126-3837 2ds17823@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0003-1045-2003 3 tichonov57@mail.ru
4NovikovaGalinaV@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9222-6450 5 dekanatfvmz@mail.ru
Abstract
Introduction. The purpose of this work is to develop a microwave installation with a toroidal resonator that provides defrosting and heating of animal colostrum in different doses, taking into account the phase transition, by placing frozen raw materials in plastic bottles in the toroidal part at the level of the capacitive gap and using a ceramic container. The innovative idea is that the structural design of a toroidal resonator of rectangular cross-section provides movement in the torus at the level of the condenser part of frozen raw materials in plastic bottles on a dielectric platform. And the liquid raw materials are heated and sterilized at high electric field strength in a ceramic cylinder located in the condenser part, which allows to concentrate the energy of electromagnetic radiation in the raw materials. Materials and methods. The spatial image of the microwave installation was modeled in the Compass 18.0 program. Using three-dimensional modeling of volumetric resonators in the CST Microwave Studio program, the electrodynam-ic parameters of the generator-toroidal resonator system were investigated. The intrinsic Q-factor of the toroidal resonator was additionally calculated through the surface area and volume, taking into account the surface layer. To identify effective modes of defrosting and heating of colostrum of animals, rotatable planning of the second order was used, which made it possible to identify empirical expressions describing the relationship of criteria for evaluating the effectiveness of the process from variable factors.
Results and discussion. The microwave installation contains a toroidal resonator consisting of a rectangular torus and a condenser part. A dielectric circular platform is installed coaxially inside the resonator, at the level of the capacitor part. A rotor with dielectric blades rotating from an electric drive is located above the dielectric platform. In the condenser part, a ceramic cylinder is coaxially installed, where a transcendental waveguide with a ball valve is docked. On the annular bases of the resonator, the average perimeter of which is a multiple of half the wavelength, there are holes for containers docked with the corresponding sluice gates.
Conclusion. Effective modes of defrosting and heating of colostrum in a microwave installation were revealed: productivity of 14-15 l/h, temperature of heated colostrum 35-38 °C.
For citation: Ershova I. G., Mikhailova O. V., Tikhonov A. A., Novikova G. V., Kirillov N. K. Microwave installation with a toroidal resonator for continuous defrosting of colostrum of animals // Bulletin of the NGIEI. 2022. № 10 (137). P. 81-93. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-10-81-93
Введение
Перед кормлением молодняка животных молозиво размораживают и разогревают до 38-40 °С. Это требует длительного времени. После медленно-
го процесса размораживания кормовая ценность молозива заметно снижается. Чтобы представить выигрыш во времени при использовании сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии для размораживания,
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
можно привести следующие данные по традиционным способам размораживания молозива. Продолжительность размораживания 2 часа в традиционных размораживателях с пароводяной системой, где размещается 6 пластиковых бутылок по 1,5 л молозива. С помощью установки с источником энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ, 2450 МГц, длина волны 12,24 см) разморозить можно за 7-10 мин., т. е. происходит существенное снижение продолжительности процесса, и, следовательно, сохранение кормовой ценности молозива животных [1; 2; 3]. Глубина проникновения сантиметровых волн в замороженное сырье в процессе размораживания уменьшается. Например, при температуре минус 10 оС она составляет 3-4 см, а при температуре минус 1 °С — 1,1-1,5 см [4].
При рациональной конфигурации двух состыкованных объемных резонаторов и компоновке рабочих органов СВЧ-установки и обеспечении высокой напряженности электрического поля (ЭП) и необходимой дозы воздействия на сырье разного агрегатного состояния ожидается снижение продолжительности дефростации и разогрева молозива с сохранением кормовой ценности [5; 6].
Известна СВЧ-установка с состыкованными резонаторами, такими как конический и тороидальный резонаторы (патент № 2752938). Она содержит резонаторы с общим перфорированным основанием [7]. Тороидальный резонатор представлен конденсаторной частью, отделенной перфорированным диэлектрическим кольцевым основанием от кольцевой части резонатора.
Преимущества. Возможность обеспечения высокой напряженности электрического поля в обоих резонаторах и электромагнитной безопасности при непрерывном режиме работы.
Недостатки. Термообработку сырья возможно осуществлять только в измельченном виде. В коническом резонаторе равномерное распределение электромагнитного поля без диссекторов затруднительно.
Инновационная идея состоит в том, что конструкционное исполнение тороидального резонатора прямоугольного сечения обеспечивает перемещение в торе на уровне конденсаторной части (емкостного зазора) замороженного сырья в пластиковых бутылках, наклоненных горлышком к центру, по диэлектрической круглой платформе, толщиной, уменьшающейся к центру. А жидкое сырье разогревается и стерилизуется при высокой напряженности электрического поля в керамическом цилиндре,
расположенном в конденсаторной части, позволяющем сконцентрировать энергию электромагнитных излучений в сырье.
Материалы и методы
Пространственное изображение СВЧ-установки непрерывно-поточного действия с тороидальным резонатором моделировали в программе Компас 18.0. Пользуясь трехмерным моделированием объемных резонаторов в программе CST Microwave Studio, исследовали электродинамические параметры системы «генератор-тороидальный резонатор». Собственную добротность тороидального резонатора дополнительно вычисляли через площадь поверхности и объем с учетом поверхностного слоя. Для выявления эффективных режимов размораживания и разогрева молозива животных воспользовались ротатабельным планированием второго порядка, что позволило выявить эмпирические выражения, описывающие взаимосвязь критериев оценки эффективности процесса от варьируемых факторов.
Результаты и обсуждение
Тороидальный резонатор 3 состоит из тора 9 прямоугольного сечения и конденсаторной части, внутри которой соосно установлена диэлектрическая круглая платформа 5, диаметром, равным диаметру резонатора, и толщиной, уменьшающейся к центру. Над диэлектрической наклоненной платформой 5 расположен ротор 7 с диэлектрическими лопастями и электроприводом.
В конденсаторной части на нижнюю пластину соосно установлен керамический цилиндр 8, куда пристыкован запредельный волновод 11 с шаровым краном. На кольцевых верхних и нижних основаниях резонатора 3, средний периметр которых кратен половине длины волны, имеются отверстия для тары, состыкованные с соответствующими шлюзовыми затворами 1, 10. Они представлены как роторные питатели, где размеры отсеков 2 соответствуют размерам пластиковых бутылок.
СВЧ-установка с тороидальным резонатором выполнена с содержанием диэлектрической круглой платформы 5 с уменьшающейся к центру толщиной в тороидальной части. Платформа предназначена для перемещения замороженного в пластиковых бутылках молозива. В конденсаторную часть направлена открытая часть бутылки. По мере послойного размораживания сырья в тороидальной части, т. е. при фазовом переходе с замороженного состояния в жидкое состояние, молозиво стекает в керамический цилиндр 8. Он позволяет сконцентрировать энергию электромагнитного поля в жид-
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
ком сырье. В конденсаторной части резонатора возбуждается электрическое поле высокой напряженности, позволяющее резко увеличить скорость диэлектрического нагрева, снизить бактериальную обсемененность, сохраняя кормовую ценность сырья. Тороидальный резонатор основан на явлении резонанса, в котором вследствие граничных условий возможно существование на определенных длинах волн колебаний в виде бегущей и стоячей волны.
Для фокусировки электромагнитных полей используют линзы, в данной конструкции предложена керамическая емкость, позволяющая концентрировать электромагнитное поле и выполнять функцию накопительной емкости для размороженного сырья. Керамика обладает малыми потерями, тангенс угла диэлектрических потерь составляет всего 10-3. В тороидальном резонаторе роль сосредоточенной емкости играет плоский зазор в центре резонатора, куда размещена керамическая емкость, а роль сосредоточенной индуктивности - тороидальная поверхность. Для инженерной практики наибольший интерес представляет колебание основного типа, когда электрическое поле в основном сосредотачивается в центральной части резонатора (конденсаторной части), а магнитное поле - в тороидальной части. В случае расположения пластиковых бутылок с замороженным сырьем на уровне конденсаторной части диэлектрический нагрев происходит при дозе, отличающей от дозы воздействия ЭМПСВЧ в конденсаторной части. Сырье размораживается и стекает в керамическую емкость, расположенную в конденсаторной части резонатора, где напряженность электрического поля намного выше и зависит от емкостного зазора. Керамическая емкость способствует концентрации ЭМП в сырье.
Технологический процесс дефростации и разогрева молозива животных происходит следующим образом. Закрыть шаровой кран 11, включить электропривод ротора с диэлектрическими лопастями 7. Включить электропривод шлюзового за-
твора 1. Загрузить бутылки с замороженным сырьем в отсеки 2 с открытой крышкой в сторону центра резонатора. Как только бутылка 4 окажется в резонаторе под наклоном и начнет перемещаться в тороидальной части резонатора на уровне емкостного зазора, включить генераторы (магнетроны 6) на определенную мощность. Доза воздействия ЭМП-СВЧ такова, что за один оборот весь объем замороженного сырья размораживается и стекает в керамическую емкость. Здесь молозиво нагревается до 38-40 оС, обеззараживается за счет высокой напряженности электрического поля. Керамическая боковая поверхность цилиндрической емкости 8 способствует концентрации ЭМП, снижает потери, а следовательно, увеличивает собственную добротность резонатора (КПД установки). Открыть шаровой кран 11 и слить готовую продукцию для выпойки телят. В связи с тем, что диэлектрическая платформа имеет отверстие над шлюзовым затвором 10, пустые бутылки падают через отверстия на диэлектрической платформе и на нижнем основании резонатора в отсеки шлюзового затвора 10. Шлюзовые затворы 1, 10 обеспечивают электромагнитную безопасность при работе установки в непрерывном режиме. По окончании процесса подготовки молозива к выпойке выключить генераторы 6, остановить электроприводы лопастного ротора, шлюзовых затворов 1, 10 ротора, промыть керамическую емкость, для этого залить с помощью шланга моющее средство и слить через запредельный волновод при открытом шаровом кране 11.
Малая продолжительность перехода из замороженного агрегатного состояния в жидкое состояние обеспечивает высокое качество продукта с сохранением кормовой ценности [8]. Скорость передвижения пластиковых бутылок 4 зависит от мощности генераторов и от объема сырья в резонаторе.
Результаты исследования электродинамических параметров тороидального резонатора приведены на рис. 2, полученные в программе CST Microwave Studio [9; 10; 11; 12].
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Рис. 1. Пространственное изображение СВЧ-установки с тороидальным резонатором для дефростации молозива животных в непрерывном режиме: I — общий вид; II — общий вид в разрезе с позициями; III — технологическая схема; IV а — тороидальный резонатор с керамической емкостью, IV б - замороженное молозиво в пластиковой бутылке; 1 — шлюзовой затвор; 2 — отсеки роторного питателя 2; 3 — тороидальный резонатор; 4 — молозиво в пластиковой бутылке; 5 — диэлектрическая наклонная платформа; 6 — волновод, магнетрон и вентилятор; 7 — ротор с диэлектрическими лопастями с электроприводом; 8 — керамический цилиндр в конденсаторной части резонатора; 9 — тороидальная часть резонатора; 10 - шлюзовой затвор; 11 - шаровой кран в запредельном волноводе Fig. 1. Spatial image of a microwave installation with a toroidal resonator for defrosting colostrum of animals in continuous mode: I - general view; II — general view in section with positions; III — technological scheme; IVa — toroidal resonator with a ceramic container, IVb - frozen colostrum in a plastic bottle; 1 — sluice gate; 2 — rotary feeder compartments 2; 3 — toroidal resonator; 4 — colostrum in a plastic bottle; 5 — dielectric inclined platform; 6 — waveguide, magnetron and fan; 7 — rotor with dielectric blades with electric drive; 8 — ceramic cylinder in the condenser part of the resonator; 9 — toroidal part of the resonator; 10 - sluice gate; 11 - ball valve in the beyond waveguide Источник: рисунки разработаны авторами в программе КОМПАС-3D
85
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
1
2
3
4
5
6
HbField data: Model
Material/Solid Conductivity Mu Loss/W Loss/% Q
"Cond. Enclosure** 5.&000&+07 1 2.9534e+C5 100 5.2237e+l
**Sum** 2.9534O+05 5.22376+1
10
Рис. 2. Результаты исследования электродинамических параметров тороидального резонатора: 1 — напряженность электрического поля; 2, 3 — напряженность магнитного поля; 4, 5 - поверхностные токи; 6 — распределение ЭМП в координатах осей; 7 - энергия электрической составляющей, в разрезе; 8 - энергия магнитной составляющей, в разрезе; 9 — сигналы импульсов возбуждения ЭМПСВЧ; 10 - собственная добротность резонатора Fig. 2. Results of the study of the electrodynamic parameters of the toroidal resonator: 1 — electric field strength; 2, 3 — magnetic field strength; 4, 5 - surface currents; 6 — EMF distribution in the coordinates of the axes; 7 - the energy of the electrical component, in the section; 8 - the energy of the magnetic component, in the section; 9 — the signals of the EMF excitation pulses;
10 - the intrinsic Q factor of the resonator Источник: рисунки получены авторами в результате исследования электродинамических параметров тороидального резонатора в программе CST Microwave Studio
7
8
9
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Рис. 3. Схема квазистационарного тороидального резонатора с прямоугольным сечением Fig. 3. Diagram of a quasi-stationary toroidal resonator with a rectangular cross section
Результаты исследования электродинамических параметров (рис. 2) показывают, что напряженность электрического поля в емкостном зазоре может составить до 5 кВ/см, а собственная добротность достигает 5224.
Собственную добротность (Q) квазитороидального резонатора можно вычислить через его площадь поверхности и объем с учетом скин-слоя по формулам 1-3 [13; 14].
тороид . пер. резонатора
2 n J г ф + ( т'Уdy +
0
+2n J" r y/l + (r'J dy +8 • " dx +
\ ~ \ 0
+n • 2njr -yjl + (r')2 dy.
V
тороид. пер.резонатора j
njr22dy-n J r2dy + n -n-jrfdy.
0 J - J 0
njг*dy-n j r2dy + n •nJr2dy
(2)
Q = ■
2 • K
2я\г*4 1 +( г ')> + 2л | г + 2 + (3)
+8 • | - х2 ¿х + п • 2лI г 1 + ( г') ¿у,
где к - коэффициент, учитывающий отклонение конструкции от стандартного резонатора; А — скин-слой.
Далее величину собственной добротности, мощности генератора (Р) и емкости резонатора (Р"рез.) можно согласовать с напряженностью электрического поля:
' ,В. (4)
м
Е.
Q • P/2
0,27 • *„ • 2л • / •Урехн
Это позволяет выявить, при каком межпластинчатом расстоянии в конденсаторной части резонатора достигается критическая напряженность ЭП [15; 16; 17; 18].
Проведены исследования динамики размораживания и разогрева молозива в ЭМПСВЧ при разной удельной мощности (рис. 4).
J
+
Температура, оС / Temperature, °C 1 1234567 000000000 —
i 2
1, > 1 Л/
4 9 50
—¡ t- 1, U В 1т/ г
3 1^ 39
28 38
18
27
4 17 /
1 0
0 1( 0 П Ро до лж 15 ки 0 тел ль но ст 20 ь, 0 с / Di ra ati 2: on 0 , s ec. 30
Рис. 4. Динамика нагрева молозива при разных удельных мощностях: 1,0 Вт/г; 1,6 Вт/г; 2,0 Вт/г Fig. 4. Dynamics of colostrum heating at different specific capacities: 1,0 W/g; 1,6 W/g; 2,0 V/g Источник: разработано авторами на основании теоретических исследований
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
Результаты исследования показывают, что при размещении 6 бутылок с замороженным сырьем по 400 г, то при удельной мощности 1,0 Вт/г (2400 Вт/2400 г) продолжительность дефростации (в тороидальной части) и разогрева до 38 °С (в конденсаторной части) составит 260 с.
При удельной мощности 1,6 Вт/г (мощность генератора 3840 Вт - мощность 5 генераторов по 960 Вт), продолжительность всего процесса составит 220 с. При удельной мощности 2 Вт/г продол-
Таблица 1. Уровни варьирования факторов Table 1. Levels of variation of factors
Регрессионная модель изменения производительности Q (Уь Вт-ч/кг), энергозатрат Ж (У2, Вт-ч/кг), температуры Т (У3, оС) от продолжительности воздействия ЭМПСВЧ на сырье (г, ч) и мощность генераторов (Р, Вт):
Q = 114,7 + 0,0014т-1713,74Р-2,78Е-7т2 +
+ 0,0002 тР + 7654,4Р2; (4)
жительность дефростации и разогрева 200 с, если использовать 6 генераторов по 800 Вт.
Для выявления эффективных режимов размораживания и разогрева молозива воспользовались ротатабельным планированием второго порядка [19; 20]. В таблицах 1 и 2 приведены принципы кодирования, уровни варьирования и матрица проведения эксперимента по дефростации и разогрева молозива животных в СВЧ-установке непрерывно-поточного действия с тороидальным резонатором (рис. 1).
/
ture, з)
УЭЗ = 25,93-0,013т-329,45Р + + 2,57E-6t2+0,41 тР+2403,56Р2; (5) Т = 82,23-0,06т -316,44Р + + 2,25E-6-t2+0,8 1 тР-6327,01 VP2. (6) Поверхности откликов и сечения двухфактор-ных моделей приведены на рис. 5.
Фактор / Factor Уровни факторов / Factor levels
-1,414 -1 0 +1 +1,414
Продолжительность, мин. / Duration, min. 2,12 3 4
Мощность генератора, Вт / Generator power, W 1 556 2 200 2 400 Источник: составлено авторами на основании исследований
5 7,07 2 600 3 676,4
Таблица 2. Матрица ротатабельного планирования второго порядка (метод наименьших квадратов полинома второй степени)
Table 2. Matrix of rotatable planning of the second order (the method of least squares of a polynomial of the second degree)
Номер опыта / Experience number
Кодированная
матрица/ Encoded matrix
Х
Х7
Рабочая матрица / Working matrix
продолжительность, мин/ч / duration, min/h
мощность генераторов, Вт / generator power, W
Параметр оптимизации / Optimization parameter
производительность, кг/ч (Yi) / capacity, kg/h (Yi)
энергозатраты, Вт-ч/кг (Y2) / energy consumption, W-h/kg (Y2)
температ оС (У2 tempera оС (Y
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
+
+
-1,414 +1,414 0 0 0 0 0 0 0
+ +
0 0
-1,414 +1,414 0 0 0 0 0
5/0,083 3/0,05 5/0,083 3/0,05 2,12/0,035 7,07/0,118 4/0,067 4/0,067 4/0,067 4/0,067 4/0,067 4/0,067 4/0,067
2600 2600 2200 2200 2400 2400 1556 3676,4 2400 2400 2400 2400 2400
Примечание. Единовременная загрузка тороидального резонатора Источник: составлено авторами на основании исследований
29 48 29 48 68,5 20 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 2,4 кг
89,65 54,17 75,86 45,83 35,04 120 43,46 102,7 67 67 67 67 48
50 17 38 16 4 58 32 45 35 35 35 35 35
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ XXXX
Производительность, кг/ч / Productivity, kg/h
Энергетические затраты, кВт-ч/кг / Energy costs, kWh/kg Рис. 3. Поверхность отклика и сечение двухфакторной модели Fig. 3. The response surface and the cross-section of the two-factor model Источник: рисунки получены в программе Statistica 12
Температура, °С / Temperature, °C
Таблица 3. Технические характеристики СВЧ-установки для дефростации и разогрева молозива животных
Таблица 3. Technical characteristics of the microwave installation for defrosting and heating of colostrum of animals
Параметр / Parameter Значение/ Meaning
Производительность, л/ч / Capacity, l/h 14,5
Потребляемая мощность СВЧ-установки, кВт / Power consumption of the microwave installation, kW 2,58
Мощность электродвигателя вентилятора, кВт / Fan motor power, kW 0,08
Мощность привода диэлектрического контейнера, кВт / Drive power of the dielectric container, kW 0,1
Потребляемая мощность трех СВЧ-генераторов, кВт / Power consumption of three microwave 2,4
generators, kW
Удельная мощность генератора, Вт/г / Specific power of the generator, W/g 0,4
Энергетические затраты, кВтч/кг / Energy costs, kWh/kg 0,18
Источник: составлено авторами по результатам теоретических исследований
Технические характеристики СВЧ-установки приведены в табл. 3.
Заключение Эффективные режимы дефростации и разогрева молозива в СВЧ-установке с тороидальным резонатором: производительность 14-15 л/ч, темпе-
ратура разогретого молозива 35-38 оС. Результаты исследования электродинамических параметров показывают, что напряженность электрического поля в емкостном зазоре может составить до 5 кВ/см, а собственная добротность тороидального резонатора составляет 5224.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Адамович А. Л., Герасименок Н. А. Установка для изучения нагрева и сушки диэлектрических материалов микроволновым полем // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B: Прикладные науки. 2003. Т. 2. № 2. С. 42-44.
2. Шаталов А. Л. Эффективность применения энергии электромагнитного поля для нагрева диэлектрических и полупроводящих сред // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. № 12. С. 16-18.
3. Будников Д. А. Поглощение электромагнитного поля СВЧ сельскохозяйственными материалами // Вестник ВИЭСХ. 2013. № 2 (11). С. 38-40.
4. Prosviryakova M. V., Ershova I. G., Mikhailova O. V., Novikova G. V., Tarakanov D. A. Electrotechnology of animal colostrum defrosting in two-resonator microwave installations // IOP Conference Series: Earth and Envi-
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
ronmental Science, Volume 857. International Conference: Sustainable Development in Rural Areas). 2021. Knyaginino, Russian Federation. 012007.
5. Колесников Е. В., Архангельский Ю. С. Проектирование и эксплуатация электротехнологических установок : учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы», направления подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Саратов, 2008.
6. Архангельский Ю. С. Установки диэлектрического нагрева. СВЧ установки. Учеб. пособие по дисциплине «Установки диэлектр. нагрева" для студентов специальности 180500 "Электротехнол. установки и системы"». Саратов, 2003. 343 с.
7. Новикова Г. В., Просвирякова М. В., Михайлова О. В., Ершова И. Г., Тараканов Д. А., Тихонов А. А. Патент № 2752938 РФ, МПК A47J.39/00. Двухмодульная СВЧ установка непрерывно-поточного действия для размораживания и разогрева коровьего молозива; заявитель и патентообладатель НГИЭУ. № 2020141711; за-явл. 17.12.2020; опубл. 11.08.2021. Бюл. № 23.
8. Казарцев Д. А. Разработка общих видов математических моделей сушки пищевых продуктов с СВЧ-энергоподводом на основе законов химической кинетики гетрогенных процессов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2021. Т. 83. № 3. С. 17-22. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-3-17-22
9. Курушин А. А., Пластиков А. Н. Проектирование СВЧ-устройств в среде CST Microwave Studio. М. : МЭИ, 2012. 152 с.
10. Дерачиц Д. С., Кисель Н. Н., Грищенко С. Г. Моделирование на базе САПР CST Microwave Studio фильтра высоких частот // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3 (164). С. 257-265.
11. Хасанов А. С. Анализ электромагнитных полей с использованием среды CST Microwave Studio // XXII Туполевские чтения (Школа молодых ученых). Российский фонд фундаментальных исследований, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А Н. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ). 2015. С.808-810.
12. Фатеев А. В. Применение по CST Microwave Studio для расчёта микроволновых антенн и устройств СВЧ. Учебное пособие. Томск, 2014. 120 с.
13. Падусова Е. В., Шарангович С. Н. Расчет диэлектрических волноводов и объемных резонаторов. Томск, 2018. 103 с.
14. Коломин В. М., Рыбкин В. Н., Иовдальский В. А., Соколов И. А. Диэлектрические резонаторы для изделий электронной техники СВЧ-диапазона : учебное пособие. Москва, 2021. Сер. Радиотехника. 152 с.
15. Дунаева Т. Ю. Применение методов математического моделирования для оптимизации сушильных установок СВЧ диэлектрического нагрева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. Т. 1. № 1 (10). С. 137-141.
16. Бобров А. И., Федоров Д. М., Федоров М. Н. Математическая модель пространственного распределения электромагнитного поля при высокочастотном нагреве диэлектрических материалов // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2017. № 3 (24). С. 22-33.
17. Егоров Г. И., Гараев Т. К. Математическое моделирование влияния диэлектрической проницаемости среды на сверхвысокочастотный нагрев // Тенденции развития науки и образования. 2021. № 80-5. С. 177-179.
18. Васильев А. А., Будников Д. А. Компьютерное моделирование трехмерных структур при исследовании процессов диэлектрического нагрева сельскохозяйственной продукции // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 3 (18). С. 171-175.
19. Доценко А. В. Оптимизация параметров установки СВЧ диэлектрического нагрева, работающей в периодическом режиме // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2006. № 40. С. 136-138.
20. Трефилов Н. А., Солосин Д. П., Цуников А. Ю., Зимин В. Г., Исаев А. С., Зубков А. П., Цапенко С. В., Дальская Г. Ю. Исследование диэлектрических параметров материалов в условиях интенсивного нагрева на СВЧ // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2011. Т. 11. № 1. С. 67-72.
Статья поступила в редакцию 14.07.2022; одобрена после рецензирования 22.08.2022;
принята к публикации 24.08.2022.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Информация об авторах: И. Г. Ершова - кандидат технических наук, Spin-код: 5832-2508;
О. В. Михайлова - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», Spin-код: 9437-0417;
А. А. Тихонов - кандидат технических наук, доцент, Spin-код: 7146-3523;
Г. В. Новикова - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Spin-код: 3317-5336; Н. К. Кириллов - доктор ветеринарных наук, профессор.
Заявленный вклад авторов: Ершова И. Г. — описание установки, работа над текстом статьи.
Михайлова О. В. — построение 3Б-модели установки в программах Компас 18.0, CST Microwave Studio. Тихонов А. А. - общее руководство проектом, формулирование основной концепции исследования, дополнение текста статьи.
Новикова Г. В. - обоснование электродинамических параметров резонаторов.
Кириллов Н. К. - статистическая обработка результатов исследований, участие в обсуждении материалов статьи.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Adamovich A. L., Gerasimenok N. A. Ustanovka dlya izucheniya nagreva i sushki dielektricheskih mate-rialov mikrovolnovym polem [Installation for the study of heating and drying of dielectric materials by a microwave field], Vestnik Polockogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya B: Prikladnye nauki [Bulletin of Polotsk State University. Series B: Applied Sciences], 2003, Vol. 2, No. 2, pp. 42-44.
2. Shatalov A. L. Effektivnost' primeneniya energii elektromagnitnogo polya dlya nagreva dielektri-cheskih i poluprovodyashchih sred [Efficiency of application of electromagnetic field energy for heating of dielectric and semiconducting media], Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie [Chemical and oil and gas engineering], 2008, No. 12, pp. 16-18.
3. Budnikov D. A. Pogloshchenie elektromagnitnogo polya SVCH sel'skohozyajstvennymi materialami [Absorption of the microwave electromagnetic field by agricultural materials], Vestnik VIESKH [Vestnik RESKH], 2013, No. 2 (11), pp. 38-40.
4. Prosviryakova M. V., Ershova I. G., Mikhailova O. V., Novikova G. V., Tarakanov D. A. Electrotechnology of animal colostrum defrosting in two-resonator microwave installations, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 857, International Conference: Sustainable Development in Rural Areas), 2021, Knyaginino, Russian Federation, 012007.
5. Kolesnikov E. V., Arhangel'skij Yu. S. Proektirovanie i ekspluataciya elektrotekhnologicheskih ustanovok [Design and operation of electrotechnological installations], uchebnoe posobie dlya studentov vysshih uchebnyh zavedenij, obuchayushchihsya po special'nosti 140605 «Elektrotekhnologicheskie ustanovki i sistemy», napravleniya podgotovki 140600 «Elektrotekhnika, elektromekhanika i elektrotekhnologii», Saratov, 2008.
6. Arhangel'skij Yu. S. Ustanovki dielektricheskogo nagreva. SVCH ustanovki [Dielectric heating installations. Microwave installations], Ucheb. posobie po discipline «Ustanovki dielektr. nagreva" dlya studentov special'nosti 180500 "Elektrotekhnol. ustanovki i si-stemy"», Saratov, 2003, 343 p.
7. Novikova G. V., Prosviryakova M. V., Mihajlova O. V., Ershova I. G., Tarakanov D. A., Tihonov A. A. Patent No. 2752938 RF, MPK A47J.39/00. Dvuhmodul'naya SVCH ustanovka nepreryvno-potochnogo dejstviya dlya razmorazhivaniya i razogreva korov'ego moloziva [Two-module continuous-flow microwave unit for defrosting and heating cow colostrum], zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU, No. 2020141711, zayavl. 17.12.2020, opubl. 11.08.2021, Byul. No. 23.
8. Kazartsev D. A. Razrabotka obshchih vidov matematicheskih modelej sushki pishchevyh produktov s SVCH-energopodvodom na osnove zakonov himicheskoj kinetiki getrogennyh processov [Development of general types of mathematical models for drying food products with microwave energy supply based on the laws of chemical kinetics of heterogeneous processes], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Pro-
91
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
ceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies], 2021, Vol. 83, No. 3, pp. 17-22. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-3-17-22
9. Kurushin A. A., Plastikov A. N. Proektirovanie SVCH-ustrojstv v srede CST Microwave Studio [Design of microwave devices in the CST Microwave Studio environment], Moscow: MEI, 2012, 152 p.
10. Derachic D. S., Kisel' N. N., Grishchenko S. G. Modelirovanie na baze SAPR CST Microwave Studio fil'tra vysokih chastot [Modeling based on CAD CST Microwave Studio high-pass filter], Izvestiya YUFU. Tekhnich-eskie nauki [Izvestiya SFU. Technical sciences], 2015, No. 3 (164), pp. 257-265.
11. Hasanov A. S. Analiz elektromagnitnyh polej s ispol'zovaniem sredy CST Microwave Studio [Analysis of electromagnetic fields using the CST Microwave Studio environment], XXII Tupolevskie chteniya (SHkola mo-lodyh uchenyh) [XXII Tupolev readings (School of Young Scientists)], Rossijskij fond fundamental'nyh issledovanij, Kazanskij nacional'nyj issledovatel'skij tekhnicheskij universitet im. A. N. Tupoleva-KAI (KNITU-KAI), 2015, pp.808-810.
12. Fateev A. V. Primenenie po CST Microwave Studio dlya raschyota mikrovolnovyh antenn i ustrojstv SVCH [Application of CST Microwave Studio software for the calculation of microwave antennas and microwave devices], Study guide, Tomsk, 2014, 120 p.
13. Padusova E. V., Sharangovich S. N. Raschet dielektricheskih volnovodov i ob"emnyh rezonatorov [Calculation of dielectric waveguides and volumetric resonators], Tomsk, 2018, 103 p.
14. Kolomin V. M., Rybkin V. N., Iovdal'skij V. A., Sokolov I. A. Dielektricheskie rezonatory dlya izdelij el-ektronnoj tekhniki SVCH-diapazona [Dielectric resonators for microwave electronic devices], textbook, Moscow, 2021. Ser. Radiotekhnika, 152 p.
15. Dunaeva T. Yu. Primenenie metodov matematicheskogo modelirovaniya dlya optimizacii sushil'nyh usta-novok SVCH dielektricheskogo nagreva [Application of mathematical modeling methods for optimization of microwave dielectric heating drying plants], Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], 2006, Vol. 1, No. 1 (10), pp. 137-141.
16. Bobrov A. I., Fedorov D. M., Fedorov M. N. Matematicheskaya model' prostranstvennogo rasprede-leniya elektromagnitnogo polya pri vysokochastotnom nagreve dielektricheskih materialov [Mathematical model of the spatial distribution of the electromagnetic field during high-frequency heating of dielectric materials], Vestnik Voronezh-skogo instituta GPS MCHS Rossii [Bulletin of the Voronezh Institute of GPS of the Ministry of Emergency Situations of Russia], 2017, No. 3 (24), pp. 22-33.
17. Egorov G. I., Garaev T. K. Matematicheskoe modelirovanie vliyaniya dielektricheskoj pronicaemosti sredy na sverhvysokochastotnyj nagrev [Mathematical modeling of the influence of the dielectric permittivity of the medium on ultrahigh-frequency heating], Tendencii razvitiya nauki i obrazovaniya [Trends in the development of science and education], 2021, No. 80-5, pp. 177-179.
18. Vasil'ev A. A., Budnikov D. A. Komp'yuternoe modelirovanie trekhmernyh struktur pri issledovanii pro-cessov dielektricheskogo nagreva sel'skohozyajstvennoj produkcii [Computer modeling of three-dimensional structures in the study of dielectric heating processes of agricultural products], Innovacii v sel'skom hozyajstve v 2016 [Innovations in agriculture], No. 3 (18), pp. 171-175.
19. Docenko A. V. Optimizaciya parametrov ustanovki SVCH dielektricheskogo nagreva, rabotayushchej v pe-riodicheskom rezhime [Optimization of parameters of a microwave dielectric heating installation operating in a periodic mode], Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Samara State Technical University. Series: Technical Sciences], 2006, No. 40, pp. 136-138.
20. Trefilov N. A., Solosin D. P., Cunikov A. Yu., Zimin V. G., Isaev A. S., Zubkov A. P., Capenko S. V., Dal'skaya G. Yu. Issledovanie dielektricheskih parametrov materialov v usloviyah intensivnogo nagreva na SVCH [Investigation of dielectric parameters of materials under conditions of intense microwave heating], Fundamental'nye problemy radioelektronnogo priborostroeniya [Fundamental problems of radioelectronic instrumentation], 2011, Vol. 11, No. 1, pp. 67-72.
The article was submitted 14.07.2022; approved after reviewing 22.08.2022; accepted for publication 24.08.2022.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Information about the authors: I. G. Ershova - Ph. D. (Engineering), Spin-code: 5832-2508;
O. V. Mikhailova - Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Department «Infocommunication Technologies and Communication Systems», Spin-code: 9437-0417;
A. A. Tikhonov - Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 7146-3523;
G. V. Novikova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Chief Researcher, Spin-code: 3317-5336;
N. K. Kirillov - Dr. Sci. (Veterinary), Professor.
Contribution of the authors: Yershova I. G. - description of the installation, work on the text of the article.
Mikhailova O. V. - building a 3D model of the installation in the programs Compass 18.0, CST Microwave Studio. Tikhonov A. A. - general project management, formulation of the main concept of the study, addition of the text of the article.
Novikova G. V. - substantiation of electrodynamic parameters of resonators.
Kirillov N. K. - statistical processing of research results, participation in the discussion of the materials of the article.
The authors declare no conflict of interests.
