CC BY
12
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Научная статья
УДК 621.385.6, 637.2
DOI: 10.24412/2227-9407-2022-7-62-73
СВЧ-установки для термообработки масла-сырья
Елена Ивановна МеженинаАлександр Анатольевич Тихонов2, Александр Валентинович Казаков3, Светлана Ивановна Шопырева4, Татьяна Анатольевна Изосимова5
12, 3 4Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород, Россия 5Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (Волжский филиал МАДИ), г. Чебоксары, Россия
1 yodgee@mail.
3 ura.kazakov@mail. т
4 svetlana992103@mail. т
Аннотация
Введение. В статье описана технология термообработки масло-сырья в сверхвысокочастотной установке с тороидальным перфорированным резонатором, позволяющим за счет многократного перекачивания вязкого сырья с помощью насоса эндогенно нагреть при высокой напряженности электрического поля до температуры расплава и обеззараживать топленое масло. Результаты исследования распределения электромагнитного поля в резонаторе и регрессионные модели позволили оптимизировать режимы работы установки. Материалы и методы. Конструкционное исполнение установки, содержащей перфорированный тороидальный резонатор, и исследования электродинамических параметров системы осуществляли трехмерным моделированием в программах CST Microwave Studio. При статистической обработке результатов исследований использовали программы Excel, Statgrahics Plus Windows.
Результаты и обсуждение. Целью исследования является разработка и обоснование параметров многогенераторной радиогерметичной установки, обеспечивающей вытопку сливочного масла и обеззараживание в процессе многократного перекачивания с помощью насоса через перфорированный тороидальный резонатор, где в конденсаторной части напряженность электрического поля составляет 1,2-1,5 кВ/см. Проведены экспериментальные исследования динамики нагрева сливочного масла жирностью 72,5 % при разных удельных мощностях СВЧ-генератора. При мощности генератора 10 Вт/г сырье нагревается до 90-100 °С за 80-100 с, а производительность установки составляет 12-15 кг/ч. Установка работает с тремя генераторами по 800 Вт при единовременной загрузке продукта в резонатор 240 г. Для достижения равномерного нагрева продукта его толщина при перекачивании через резонатор согласована с глубиной проникновения волны. Для сливочного масла глубина проникновения волны с увеличением температуры с 0 до 50 °С уменьшается с 2,15 до 1,63 см. Заключение. Разработанная технология вытопки масла-сырья с просроченным сроком хранения за счет многократного перекачивания тонкими слоями через конденсаторную часть перфорированного тороидального резонатора СВЧ-маслоплавителя позволит снизить эксплуатационные затраты малых агропредприятий, сохранить продуктовые показатели топленого масла.
Ключевые слова: глубина проникновения волны, насос, перфорированный тороидальный резонатор, режимы термообработки, топленое и сливочное масло, электродинамические параметры
© Меженина Е. И., Тихонов А. А., Казаков А. В., Шопырева С. И., Изосимова Т. А., 2022 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Для цитирования: Меженина Е. И., Тихонов А. А., Казаков А. В., Шопырева С. И., Изосимова Т. А. СВЧ-установки для термообработки масла-сырья // Вестник НГИЭИ. 2022. № 7 (134). С. 62-73. DOI: 10.24412/22279407-2022-7-62-73
Microwave installations for heat treatment of raw oil
Elena I. MezheninaAlexander A. Tikhonov2, Alexander V. Kazakov3, Svetlana I. Shopyreva4, Tatiana A. Izosimova5
12 3 4 Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod, Russia
5 Moscow Automobile and Road Engineering State Technical University (Volga branch of MADI), Cheboksary, Russia
1 yodgee@mail. ruM
3 ura.kazakov@mail. ru
4 svetlana992103@mail. ru
Abstract
Introduction. The article describes the technology of heat treatment of raw oil in an ultra-high-frequency installation with a toroidal perforated resonator, which allows endogenously heating the melted oil at high electric field strength and disinfecting the melted oil by repeatedly pumping viscous raw materials using a pump. The results of the study of the distribution of the electromagnetic field in the resonator and regression models made it possible to optimize the operating modes of the installation.
Materials and methods. The structural design of the installation containing a perforated toroidal resonator and studies of the electrodynamic parameters of the system were carried out by three-dimensional modeling in CST Microwave Studio programs. Excel, Statgrahics Plus Windows programs were used for statistical processing of research results. Results and discussion. The aim of the study is to develop and substantiate the parameters of a multigenerator radio-hermetic installation that provides heating of butter and disinfection during repeated pumping with a pump through a perforated toroidal resonator, where the electric field strength in the condenser part is 1.2-1.5 kV/cm. Experimental studies of the heating dynamics of butter with a fat content of 72.5 % at different specific capacities of a microwave generator have been carried out. With a generator power of 10 W/g, the raw material is heated to 90-100 °C in 80-100 s, and the plant capacity is 12-15 kg / h. The unit operates with three generators of 800 watts each, with a one-time product loading into a 240 g resonator. To achieve uniform heating of the product, its thickness when pumped through the resonator is matched with the depth of penetration of the wave. For butter, the depth of wave penetration decreases from 2.15 to 1.63 cm with an increase in temperature from 0 to 50 °C.
Conclusion. The developed technology of heating oil-raw materials with an expired shelf life due to repeated pumping in thin layers through the condenser part of the perforated toroidal resonator of the microwave oil melter will reduce the operating costs of small agricultural enterprises, preserve the product indicators of melted butter.
Keywords: perforated toroidal resonator, electrodynamic parameters, ghee and butter, pump, heat treatment modes, wave penetration depth
For citation: Mezhenina E. I., Tikhonov A. A., Kazakov A. V., Shevyreva S. I., Izosimova T. A. Microwave Installations for heat treatment of oil raw materials // Bulletin NGIEI. 2022. № 7 (134). P. 62-73. DOI: 10.24412/2227-94072022-7-62-73
Введение
В России в 2020 году произведено 278900 тонн сливочного масла, из них 31,5 % произведено в Приволжском федеральном округе. В марте 2022 года средняя цена на сливочное масло составила 480627,9 руб./т.
В зависимости от исходного сырья масло подразделяют на следующие группы: сливочное масло, вырабатываемое из натуральных сливок различной жирности; подсырное масло, вырабатываемое из полуфабриката маслодельной промышленности; топленое масло, получаемое в результате
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
Результаты и обсуждение
Целью исследования является разработка и обоснование параметров многогенераторной радиогерметичной СВЧ-установки, обеспечивающей термообработку и обеззараживание масла-сырья в процессе многократного перекачивания через тороидальный резонатор.
Задачи исследования:
- проанализировать электрофизические параметры сливочного масла (фактор диэлектрических потерь, диэлектрическую проницаемость, глубину проникновения волны, теплоемкость, плотность) для оценки скорости нагрева сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты;
- разработать многогенераторную радиогерметичную СВЧ-установку с использованием магнетронов воздушного охлаждения и насоса вязкой жидкости для многократного перекачивания сырья через конденсаторную часть тороидального резонатора, обеспечивающего высокую напряженность электрического поля;
- получить регрессионные зависимости, позволяющие оценить влияние режимных параметров (удельная мощность генератора, продолжительность термообработки, жирность сливочного масла) на критерии оценки технологии (превышение температуры сырья, производительность установки, общее микробное число);
- провести визуализацию распределения электромагнитного поля в тороидальном резонаторе и определить электродинамические параметры (напряженность ЭМП, собственную добротность);
- определить эффективные параметры и режимы работы СВЧ-установки для термообработки сливочного масла.
Для вычисления мощности электромагнитного поля в единице объема продукта (Руд, кВт/м3) необходимо знать его фактор диэлектрических потерь (k), напряженность электрического поля в сырье (Е), которую можно вычислить через диэлектрическую проницаемость продукта (е), если известны частота (f) и напряженность электрического поля в резонаторе (Ер)1:
Руд = 0,556 -10~5 • k • Е2 • f, кВт / м3; (1) или в Вт/см3:
перетапливания сливочного масла и подсырного масла; восстановленное масло из топленого масла. Сливочное масло относится к категории скоропортящихся продуктов, поэтому сроки его хранения невелики. В ГОСТ 32261-2013 прописаны сроки их хранения, они зависят от температуры, вида упаковки и типа продукта. Крупные куски сливочного масла до килограмма хранятся до 5 недель в холодильнике, а в морозилке до 4 месяцев [1; 2; 3]. Топленое масло, вытопленное из сливочного масла, имеет срок годности до 1 года.
Традиционный способ производства топленого масла включает: плавление - тепловую обработку - посол и отстаивание. В емкость с рубашкой подается пар, вода в количестве 10-15 % от массы сырья, нагревают до 60 °С и загружают масло-сырье [4]. Температуру расплава сырья доводят до 70-90 °С и выдерживают при этой температуре 2-4 часа. Либо расплав сырья перекачивают через пастеризатор, где нагревают до 95-110 °С. Такой способ вытопки сливочного масла не вызывает окисления продукта, но при этом эксплуатационные затраты достаточно высокие.
Анализ выполненных ранее исследований по разработке перфорированных цилиндрических резонаторов [5; 6; 7; 8] показывает, что в них не предусмотрена возможность согласования глубины проникновения волны с толщиной слоя сырья и обеспечения высокой напряженности электрического поля. Поэтому разработка для фермерских хозяйств микроволновой технологии и сверхвысокочастотной установки для производства топленого масла из сливочного масла с просроченным сроком хранения актуальна.
Научная задача. Повышение энергоэффективности функционирования СВЧ-установок для термообработки и стерилизации масла-сырья путем разработки тороидального резонатора, обеспечивающего высокую напряженность электрического поля и электромагнитную безопасность.
Материалы и методы
Конструкционное исполнение установки, содержащей перфорированный тороидальный резонатор, и исследования электродинамических параметров системы «генератор - резонатор» осуществляли трехмерным моделированием в программах CST Microwave Studio, Solid Works. Статистическую обработку результатов исследований проводили с использованием программы MS Office, включая Excel, Statgrahics Plus Windows.
P = 8,85-10"14(Ф / см) ■ 2-ж-f ■ k ■ E = = 0,556-10"8 ■ f ■ k■ E2, Вт/см3.
Вестник НГИЭИ. 2022. № 7 (134). C. 62-73. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 7 (134). P. 62-73. ISSN 2227-9407 (Print)
_ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Удельную мощность для необходимой скорости нагрева сырья можно определить и через теп-лофизические параметры:
' 1 (3)
р АГ г1
уд =~Г-Р-С~ >
Ат ц
где р - плотность сырья, кг/м ; С - теплоемкость сливочного масла, Дж/кг-°С.
С увеличением жирности сливочного масла с 50 до 72,5 % уменьшается теплоемкость с 4350 до 3540 Дж/кг-°С, а плотность уменьшается 985 до 946 кг/м3.
Диэлектрические характеристики сливочного масла жирностью 16,5 % и молока жирностью 6,4 % при различной температуре на частоте 2450 МГц,
полученные по данным Рогова И. А.2, приведены на рис. 1.
Изменения диэлектрических параметров от температуры нагрева продуктов описываются следующими эмпирическими выражениями: - молоко жирностью 6,4 %:
е = 65,42-е
-0,003-Т
k = 18,67е
■0,011-Т.
- сливочное масло жирностью 16,5 %:
е = 65,42-е
-0,003-Т
k = 18,67-е
■0,011-Т
(4)
Фактор диэлектрических потерь сливочного масла, жирностью 16,5 % при изменении температуры от 0 до 50 оС увеличивается с 0,36 до 0,52, а диэлектрическая проницаемость — с 3,94 до 4,6.
Л &
(U je
S (и
а«
с? Я
я а а &
| а S . 9 a £
и О Ер Я
н и
ё s
Н м
m Я П
-10
0
'яд 2 62 ,2 6 0, ' 59 ,2 5' ,'
— 1 1яд
10 > 1 8 y 18 ,6' he 0,0 1x
10 10
'
3,9 )4 3 ,99 4, 4 4 ,0 4 ,09 4 ,13 4 ,4 1 ,6
y - 4 e0
4 1 п 8 0, 52
0,3 56 0 .3' 0, 39 0 ,4 0,4 3 0,4
п y - 0 ,3 8e 0,0 J56>
10 20 30 40 50
Температура, °С / Temperature, °C
60
Рис. 1. Зависимость диэлектрических параметров от температуры нагрева продуктов: 1, 3 - диэлектрическая проницаемость (е) сливочного масла жирностью 16,5 % и молока жирностью 6,4 % соответственно; 2, 4 - фактор диэлектрических потерь (k) сливочного масла жирностью 16,5 % и молока жирностью 6,4 % Fig. 1. Dependence of dielectric parameters on the heating temperature of products: 1, 3 - dielectric constant (s) of butter, fat content of 16.5 % and milk, fat content of 6.4 %, respectively; 2, 4 - dielectric loss factor (k) of butter,
fat content of 16.5 % and milk, fat content of 6.4 % Источник: составлено авторами на основании данных2
Эффект диэлектрического нагрева сливочного масла достигается благодаря проникновению электромагнитного поля на значительную глубину проникновения (А, см). Поэтому для достижения равномерного нагрева продукта следует согласовать глубину проникновения волны с толщиной продукта, перекачиваемого через объемный резонатор при работе СВЧ-установки. При постоянной частоте электромагнитного поля (/, Гц) глубина его проникновения зависит от диэлектрической проницае мо сти (е) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgë) [5; 9; 10]:
А =
9,55 -108
,см.
(5)
/■ tgS,
Для сливочного масла глубина проникновения волны с увеличением температуры с 0 до 50 °С уменьшается с 2,15 до 1,63 см.
9,55 ■Ю8
А =
2450-106 • 7(3,94...4,6) • (0,091. 0,113) 0,389
-= 2Д5...1,63 см. (6)
(1,985...2,145И0,091...0,113)
С учетом предъявляемых технологических требований к вытопке топленого масла и критериев
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
рекачивании с помощью насоса 10. Под нижней перфорированной частью тороидального резонатора установлена неферромагнитная накопительная емкость 8 с патрубком, соединенным через вентиль 9 с насосом вязкой жидкости. К насосу присоединен гибкий шланг 7, другой конец которого направлен чрез имеющееся отверстие в крышке 6 экранирующего корпуса в приемную емкость 4. Приемная емкость из неферромагнитного материала установлена над конденсаторной частью тороидального резонатора соосно. Внутри приемной емкости соосно вертикально расположен конусообразный ограничитель излучений 5. Размер кольцевого промежутка между ограничителем и приемной емкостью не более четверти длины волны. Диаметр и средний периметр тора равны кратной половине длины волны.
проектирования СВЧ-техники разработана установка с тороидальным резонатором (рис. 2). Она предназначена для обеззараживания и термообработки масла-сырья при производстве топленого масла, в том числе для переработки сливочного масла с просроченным сроком хранения [11]. Она содержит вертикально расположенный цилиндрический экранирующий корпус 1 с крышкой 6, внутри которого соосно расположен тороидальный перфорированный резонатор 2. Магнетроны 3 расположены снаружи цилиндра по периметру со сдвигом на 120 градусов. Излучатели магнетронов 3 направлены через экранирующий корпус с помощью волновода внутрь тороидального резонатора. Нижняя часть тороидального резонатора перфорирована. Живое сечение отверстий обеспечивает истечение гомогенизированного сырья при пе-
а б
Рис. 2. СВЧ-установка с тороидальным резонатором для термообработки масла-сырья: а) схематическое изображение; б) пространственное изображение в разрезе; 1 - цилиндрический экранирующий корпус; 2 - тороидальный перфорированный резонатор; 3 - магнетроны; 4 - приемная емкость из неферромагнитного материала; 5 - конусообразный ограничитель излучений; 6 - крышка экранирующего корпуса; 7 - гибкий шланг; 8 - накопительная емкость из неферромагнитного материала; 9 - вентиль;
10 - насос для вязкой жидкости Fig. 2. Microwave installation with a toroidal resonator for heat treatment of raw oil: a) schematic image; b) spatial image in section; 1 - cylindrical shielding housing; 2 - toroidal perforated resonator; 3 - magnetrons; 4 - receiving tank made of non-ferromagnetic material; 5 - cone-shaped radiation limiter; 6 - lid shielding housing; 7 - flexible hose; 8 - storage tank made of non-ferromagnetic material; 9 - valve; 10 - pump for viscous liquid
Источник: разработано в научной школе Новиковой Г. В.
Технологический процесс происходит следующим образом. Открыть крышку 6 экранирующего корпуса, закрыть вентиль 9. Загрузить масло-сырье в приемную емкость 4, закрыть крышку, включить насос 10 и СВЧ-генераторы 3 на определенную мощность. При перекачивании сливочное масло в конденсаторной части тороидального перфорированного
резонатора 2 эндогенно нагревается до 95-110 °С и закачивается в приемную же емкость, где смешивается с остальной массой сырья. При этом в конденсаторной части напряженность электрического поля выше критической напряженности (1,2-1,5 кВ/см) [12], что обеспечивает снижение бактериальной об-семененности сливочного масла. Весь объем сырья
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
нагреется до 90-110 °С при перекачивании несколько раз через резонатор, после чего датчик температуры обеспечивает выключение СВЧ-генераторов и электропривода насоса. После чего топленое масло сливают через вентиль в бак и охлаждают. Далее процесс можно повторить, загружая следующий объем сырья в приемную емкость.
Проведены экспериментальные исследования динамики нагрева сливочного масла жирностью
72,5 % при разных удельных мощностях СВЧ-генератора (рис. 3). При удельной мощности 10 Вт/г (три генератора по 800 Вт и загрузка в резонатор сливочного масла массой 240 г), сырье нагревается до 90-100 °С за 80-100 с. Если перекачиваем 3 кг сырья из приемной емкости 8-10 раз по 240 г, то производительность установки может составить 12-15 кг/ч.
Продолжительность термообработки, с / Duration of heat treatment, s
Рис. 3. Динамика нагрева сливочного масла при разных дозах воздействия ЭМПСВЧ: 4 Вт/г; 8 Вт/г; 16 Вт/г Fig. 3. Dynamics of butter heating at different doses of microwave EMF exposure: 4 W/g; 8 W/g; 16 W/g Источник: составлено авторами на основании собственных исследований
Исследованы изменения бактериальной обсе-мененности сливочного масла от температуры нагрева (рис. 4). Причем исходная бактериальная
обсемененность 1 млн КОЕ/г при температуре нагрева выше 97 °С достигает до ПДУ (500 тыс. КОЕ/г) [13].
Рис. 4. Динамика нагрева сливочного масла при разных дозах воздействия ЭМПСВЧ: 4 Вт/г; 8 Вт/г; 16 Вт/г Fig. 4. Dynamics of butter heating at different doses of microwave EMF exposure: 4 W/g; 8 W/g; 16 W/g Источник: составлено авторами на основании собственных исследований
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX
Для обоснования режимов термообработки сливочного масла пользовались матрицей планирования активного эксперимента типа 23 (табл. 1). Варьируемыми параметрами являлись: х1 — удельная мощность СВЧ-генератора, Вт/г; х2 — продолжительность воздействия, с; - жирность сливочного масла, %. Критериями оптимизации служили У1 -превышение температуры нагрева сырья °С; У2 — производительность СВЧ-установки, кг/ч; У3 - общее микробное число, КОЕ/г.
Эмпирические выражения, описывающие взаимосвязь варьируемых факторов с критериями оптимизации технологии плавления сливочного масла:
Т = 2,68 + 3,13-Руд + 0,54т-0,04 ■ Р2уд +
+0,009■ Р^-т-0,001-т2, °С; б = 73,54 - 6,46-Р - 0,38-т + 0,17-Р\ +
+ 0,01 Р^ г + 0,0006-т2, кг /ч
;
ОМЧ = 1,18-0,01-Р^ -0,002■ т + 0,0003-Р2уд-. - 0,0004- Р^ -т + 4,95 -10-6 -г2, КОЕ / г -106 (7)
Эффективными режимами являются:
1) удельная мощность 10 Вт/г (единовременная загрузка в резонатор сырья массой 240 г при мощности трех генераторов 2400 Вт);
2) кратность циркуляции через перфорированный тороидальный резонатор 8—10 раз по 240 г;
3) продолжительность воздействия ЭМПСВЧ на сырье массой 240 г в резонаторе составляет 110-120 с, в зависимости от жирности масла-сырья 65-80 %;
4) температура топленого масла 95-110 оС;
5) производительность СВЧ-установки 12-15 кг/ч.
Таблица 1. Матрица активного планирования эксперимента типа 23
Table 1. Matrix of active planning of experiment type 23
Варьируемые параметры / Variable parameters Критерии оптимизации / Optimization criteria
Удельная мощность Продолжительность Жирность, Превышение Производи- ОМЧ, 106
№ СВЧ-воздействия, Вт/г / воздействия, с / % / температуры, °С тельность, КОЕ/г /
Specific power of Duration Fat content, / Temperature кг/ч / TMN, 106
microwave exposure, W/g of exposure, s % excess, °C Capacity, kg/h CFU/g
Xi Р Р уд G , г X2 T X3 Ж Yi Y2 Y3
1 + 16 150 + 160 + 80 120 3,4 0,03
2 + 16 150 - 60 - 65 80 9 0,65
3 - 4 600 + 160 - 65 75 13,5 0,70
4 - 4 600 - 60 + 80 46 36 0,90
5 0 10 240 0 110 0 72,5 85 7,9 0,54
6 - 4 600 0 110 0 72,5 64 19,6 0,75
7 + 16 150 0 110 0 72,5 106 4,9 0,1
8 0 10 240 - 60 0 72,5 62 9,6 0,75
9 0 10 240 + 160 0 72,5 105 5,4 0,1
10 0 10 240 0 110 - 65 84 7,9 0,57
11 0 10 240 0 110 + 80 84 7,9 0,57
Примечание. Начальная температура сырья 10 °С; О - масса загружаемого сырья в резонатор, г. Источник: таблица составлена авторами на основании собственных исследований
Проведены исследования электродинамических (ЭД) показателей тороидального резонатора в программах CST Microwave Studio (рис. 6) [14]. Они свидетельствуют о том, что напряженность электри-
ческого поля в конденсаторной части тороидального резонатора составляет в пределах 1-3 кВ/см, что позволяет улучшить микробиологические показатели топленого масла.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Рис. 5. Поверхность отклика и двумерное сечение в изолиниях моделей в зависимости от удельной мощности и продолжительности воздействия ЭМПСВЧ при жирности сливочного масла 72,5 % Fig. 5. The response surface and two-dimensional cross-section in the isolines of the models depending on the specific power and duration of exposure to EMPH at a butter fat content of 72.5 % Источник: составлено авторами на основании собственных исследований
1)
3)
2)
5)
6)
7)
8)
Рис. 6. Результаты моделирования тороидального резонатора в системе: 1) сигналы возбуждения ЭМПСВЧ; 2) распределение напряженности электрического поля; 3) распределение напряженности магнитного поля; 4) распределение магнитного поля (поверхностный ток); 5) распределение энергии магнитной составляющей (6 - в разрезе); 7, 8) распределение энергии электрической составляющей (8 - в разрезе) Fig. 6. Simulation results of a toroidal resonator in the system: 1) the excitation signals of the EMSWHF; 2) the distribution of the electric field strength; 3) the distribution of the magnetic field strength; 4) the distribution of the magnetic field (surface current); 5) the distribution of the energy of the magnetic component (6 - in the section); 7, 8) the distribution of the energy of the electric component (8 - in the section)
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
Исследования показывают, что особенностью тороидального резонатора является резко выраженное пространственное разъединение электрического и магнитного полей, что позволяет рассматривать такие резонаторы, как соединение сосредоточенных емкости и индуктивности [15; 16]. В конденсаторной части сосредоточена энергия электрического поля. Магнитное поле сосредоточено в тороидальной области, выполняющей роль индуктивности. Заключение Разработанные и изготовленные образцы СВЧ-установок непрерывно-поточного действия с разными конструкционными исполнениями резонаторов для термообработки сырья показали при апробировании высокую эффективность при сохранении качества продукта [17; 18; 19; 20]. Предложенная технология вытопки масла-сырья с просроченным сроком хранения за счет многократного перекачивания тонкими слоями через конденсаторную часть перфорированного тороидального резонатора СВЧ-маслоплавителя также позволит снизить эксплуатационные затраты малых агропредприятий, сохранить продуктовые показатели топленого масла.
Примечания:
1 Гинзбург А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М. : Агропромиздат. 1985. 336 с.
2 Рогов И. А. и др. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. 228 с.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Голубева Л. В., Долматова О. И. Кисло-сливочное масло как сырье для производства масла топленого // Экономика. Инновации. Управление качеством. 2014. № 4 (9). С. 64-65.
2. Пономарев А. Н., Голубева Л. В., Долматова О. И. К вопросу о повышении хранимоспособности топленого масла // Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство. 2013.С. 421.
3. Голубева Л. В., Долматова О. И. Изучение некоторых биохимических процессов при производстве масла топленого // Материалы LII отчетной научной конференции за 2013 год. 2014. С. 41.
4. Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. М. : ГИОДР,
2007.
5. Александрова Г. А., Белова М. В., Новикова Г. В., Белов А. А. Патент № 2469514 РФ, МПК Н05В 6/64. Сверхвысокочастотный маслоплавитель / Заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). Заявл. № 2011128533/10 от 08.07.2011. Бюл. № 34.
6. Александрова Г. А., Михайлова О. В. Повышение эффективности производства сливочного масла // Механизация и электрификация сельского хозяйства. № 12. 2011. С. 23-24.
7. Александрова Г. А. Экономическая эффективность применения СВЧ-маслоплавителя в фермерских хозяйствах // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. 2012. № 2 (74). С. 9-11.
8. Александрова Г. А., Михайлова О. В. Сверхвысокочастотный маслоплавитель // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. 2012. № 2-1 (74). С. 12-14.
На рис. 7 приведен тороидальный резонатор, собственная добротность, определенная по формуле 8, равна 7000:
21- 1п—
б = ----Г-т. - к (8)
А .1 — (1 1 ^ , (8) 41п- — +1 -1 —+ — I й \ й —)
где В, й - наружный и внутренний диаметры волновода, м; I - длина тора, м; , к - коэффициент, учитывающий снижение добротности за счет перфорации тора.
Рис. 7. Перфорированный тороидальный резонатор с волноводами от магнетронов Fig. 7. Perforated toroidal resonator
with magnetron waveguides Источник: разработан авторами
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
9. Королев А. А., Пенто В. Б., Прокопенко А. В., Явчуновский В. Я. Разработка и применение конвейерной СВЧ сушильной установки в пищевой промышленности // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии - КрыМиКо2015. Севастополь, 2015. С. 948-949.
10. Травина Е. А. Методика исследований электрофизических характеристик сыпучих пищевых продуктов // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО. 2017. С. 295-296.
11. Осокин В. Л., Михайлова О. В., Белова М. В., Тихонов А. А., Казаков А. В. Патент № 2717825 РФ, МПК А23С15/14. Микроволновая установка с тороидальным резонатором для термообработки масло-сырья / Заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). № 2019129664; заявл. 10.09.2019. Бюл. № 9 от 26.03.2020.
12. Корчагин Ю. В. Патент № 2161505 / A61L2/08. Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа. Заявка № 99114320/13 от 06.07.1999.
13. Вышемирский Ф. А., Топникова Е. В., Кустова Т. П. Топленое масло и молочный жир в современном ассортименте // Сыроделие и маслоделие. 2011. № 1. С. 51-54.
14. Курушин А. А., Пластиков А. Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М. : МЭИ, 2012. 152 с.
15. Коломейцев В. А., Комаров В. В. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. Часть 2. Саратов: СГТУ. 2006. 233 с.
16. Мешков И. Н., Чириков Б. В. Электромагнитное поле. Часть 2. Электромагнитные волны и оптика. Москва, Ижевск, 2014. 416 с.
17. Жданкин Г. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В. Анализ разработанных сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского ГАУ. 2016. № 4 (42). С. 89-93.
18. Михайлова О. В., Тихонов А. А., Белова М. В., Мангушев М. Р. Многомодульная СВЧ установка для размораживания коровьего молозива // Инновации в сельском хозяйстве. 2020. № 2 (35). С. 69-76.
19. Жданкин Г. В., Сторчевой В. Ф., Новикова Г. В., Зайцев П. В. Разработка и обоснование параметров микроволновой установки для термообработки сырья в процессе измельчения // Научная жизнь. 2017. № 11. С.15-25.
20. Шевелев А. В., Михайлова О. В., Новикова Г. В., Просвирякова М. В. Обоснование собственной добротности резонаторов СВЧ-установок для вытопки пасечного воска // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2020. № 8 (190). С. 124-130.
Дата поступления статьи в редакцию 19.04.2022, одобрена после рецензирования 23.05.2022;
принята к публикации 25.05.2022.
Информация об авторах: Е. И. Меженина - к.т.н., доцент, Spin-код: 7148-9961; А. А. Тихонов - к.т.н., доцент, Spin-код: 7146-3523; А. В. Казаков - д.т.н., профессор, Spin-код: 7119-0634; С. И. Шопырева - магистр;
Т. А. Изосимова - к.т.н., доцент, Spin-код:4957-0468.
Заявленный вклад авторов: Е. И. Меженина - работа над текстом статьи, проведение анализа материалов. А. А. Тихонов - обоснование электродинамических параметров тороидального резонатора. А. В. Казаков - общее руководство проектом, описание установки.
С. И. Шопырева - сбор и обработка материалов, участие в обсуждении материалов статьи.
Т. А. Изосимова - построение 3D-модели маслоплавителя в программах CST Microwave Studio, Solid Works,
статистическая обработка результатов исследований с использованием Excel.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
XXXXXX ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
REFERENCES
1. Golubeva L. V., Dolmatova O. I. Kislo-slivochnoe maslo kak syr'e dlya proizvodstva masla toplenogo [Sour-butter as a raw material for the production of ghee], Ekonomika. Innovacii. Upravlenie kachestvom [Economy. Innovation. Quality Management], 2014, No. 4 (9), pp. 64-65.
2. Ponomarev A. N., Golubeva L. V., Dolmatova O. I. K voprosu o povyshenii hranimosposobnosti top-lenogo masla [On the issue of increasing the storage capacity of ghee], Innovacionnye tekhnologii v pishchevojpromyshlen-nosti: nauka, obrazovanie i proizvodstvo [Innovative technologies in the food industry: science, education and production], 2013, pp. 421.
3. Golubeva L. V., Dolmatova O. I. Izuchenie nekotoryh biohimicheskih processov pri proizvodstve masla toplenogo [The study of some biochemical processes in the production of ghee oil], Materialy LII otchetnoj nauchnoj konferencii za 2013 god [Materials of the LII reporting scientific conference for 2013], 2014, pp. 41.
4. Ivashov V. I. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatij myasnoj promyshlennosti [Technological equipment of meat industry enterprises], Moscow: GIODR, 2007.
5. Aleksandrova G. A., Belova M. V., Novikova G. V., Belov A. A. Patent No. 2469514 RF, MPK N05V 6/64. Sverhvysokochastotnyj masloplavitel' [Ultra-high frequency oiler], Zayavitel' i patentoobladatel' CHGSKHA (RU). Zayavl. No. 2011128533/10 ot 08.07.2011. Byul. No. 34.
6. Aleksandrova G. A., Mihajlova O. V. Povyshenie effektivnosti proizvodstva slivochnogo masla [Improving the efficiency of butter production], Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva [Mechanization and electrification of agriculture], No. 12, 2011, pp. 23-24.
7. Aleksandrova G. A. Ekonomicheskaya effektivnost' primeneniya SVCH-masloplavitelya v fermerskih ho-zyajstvah [Economic efficiency of the use of microwave oil melting in farms], Vestnik Chuvashskogo gosudarstven-nogo pedagogicheskogo universiteta im. I. Ya. Yakovleva [Bulletin of the I. Ya. Yakovlev Chuvash State Pedagogical University], 2012, No. 2 (74), pp. 9-11.
8. Aleksandrova G. A., Mihajlova O. V. Sverhvysokochastotnyj masloplavitel' [Ultrahigh-frequency masloplavitel], Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta im. I. Ya. Yakovleva [Bulletin of the I. Ya. Yakovlev Chuvash State Pedagogical University], 2012, No. 2-1 (74), pp. 12-14.
9. Korolev A. A., Pento V. B., Prokopenko A. V., Yavchunovskij V. Ya. Razrabotka i primenenie konvejer-noj SVCH sushil'noj ustanovki v pishchevoj promyshlennosti [Development and application of a conveyor microwave drying plant in the food industry], SVCH-tekhnika i telekommunikacionnye tekhnologii - KryMiKo2015 [Microwave technology and telecommunication technologies - KryMiKo2015], Sevastopol', 2015, pp. 948-949.
10. Travina E. A. Metodika issledovanij elektrofizicheskih harakteristik sypuchih pishchevyh produktov [Methodology of studies of electrophysical characteristics of bulk food products], Al'manah nauchnyh rabot molodyh uchenyh Universiteta ITMO [Almanac of scientific works of young scientists of ITMO University], 2017, pp. 295-296.
11. Osokin V. L., Mihajlova O. V., Belova M. V., Tihonov A. A., Kazakov A. V. Patent No. 2717825 RF, MPK A23S15/14. Mikrovolnovaya ustanovka s toroidal'nym rezonatorom dlya termoobrabotki maslo-syr'ya [Microwave installation with a toroidal resonator for heat treatment of oil raw materials], Zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). No. 2019129664; zayavl. 10.09.2019. Byul. No. 9 ot 26.03.2020.
12. Korchagin Yu. V. Patent No. 2161505 / A61L2/08. Sposob sterilizacii materialov pri pomoshchi SVCH izlucheniya s vysokoj napryazhennost'yu polya i ustrojstvo dlya realizacii sposoba [A method for sterilizing materials using microwave radiation with high field strength and a device for implementing the method], Zayavka No. 99114320/13 ot 06.07.1999.
13. Vyshemirskij F. A., Topnikova E. V., Kustova T. P. Toplenoe maslo i molochnyj zhir v sovremennom assortimente [Ghee and milk fat in a modern assortment], Syrodelie i maslodelie [Cheese making and butter making], 2011, No. 1, pp. 51-54.
14. Kurushin A. A., Plastikov A. N. Proektirovanie SVCH ustrojstv v srede CST Microwave Studio [Designing microwave devices in the CST Microwave Studio environment], Moscow: MEI, 2012, 152 p.
15. Kolomejcev V. A., Komarov V. V. Mikrovolnovye sistemy s ravnomernym ob"emnym nagrevom [Microwave systems with uniform volumetric heating], Part 2, Saratov: SGTU, 2006, 233 p.
16. Meshkov I. N., Chirikov B. V. Elektromagnitnoe pole. Chast' 2. Elektromagnitnye volny i optika [Electromagnetic field. Part 2. Electromagnetic waves and optics], Moscow, Izhevsk, 2014, 416 p.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
17. Zhdankin G. V., Novikova G. V., Mihajlova O. V. Analiz razrabotannyh sverhvysokochastotnyh usta-novok dlya termoobrabotki syr'ya [Analysis of the developed ultra-high-frequency devices for heat treatment of raw materials], Vestnik Kazanskogo GAU [Bulletin of the Kazan State Agrarian University], 2016, No. 4 (42), pp. 89-93.
18. Mihajlova O. V., Tihonov A. A., Belova M. V., Mangushev M. R. Mnogomodul'naya SVCH ustanovka dlya razmorazhivaniya korov'ego moloziva [Multimodule microwave installation for defrosting cow colostrum], Inno-vacii v sel'skom hozyajstve [Innovations in agriculture], 2020, No. 2 (35), pp. 69-76.
19. Zhdankin G. V., Storchevoj V. F., Novikova G. V., Zajcev P. V. Razrabotka i obosnovanie parametrov mikrovolnovoj ustanovki dlya termoobrabotki syr'ya v processe izmel'cheniya [Development and justification of parameters of a microwave installation for heat treatment of raw materials in the grinding process], Nauchnaya zhizn' [Scientific life], 2017, No. 11, pp. 15-25.
20. Shevelev A. V., Mihajlova O. V., Novikova G. V., Prosviryakova M. V. Obosnovanie sobstvennoj dob-rotnosti rezonatorov SVCH-ustanovok dlya vytopki pasechnogo voska [Substantiation of own availability of resonators of microwave installations for heating beeswax], Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Altai State Agrarian University], 2020, No. 8 (190), pp. 124-130.
The article was submitted 19.04.2022; approved after reviewing 23.05.2022; accepted for publication 25.05.2022.
Information about the authors: E. I. Mezhenina - Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 7148-9961; A. A. Tikhonov - Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 7146-3523; A. V. Kazakov - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 7119-0634; S. I. Shopyreva - Master;
T. A. Izosimova - Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 4957-0468.
Contribution of the authors: Mezhenina E. I. - work on the text of the article, analysis of materials. Tikhonov A. A. - justification of the electrodynamic parameters of the toroidal resonator. Kazakov A.V. - general project management, description of the installation.
Shopyreva S. I. - collection and processing of materials, participation in the discussion of the materials of the article. Izosimova T. A. - construction of a 3D model of the oil-melting device в программах CST Microwave Studio, Solid Works, statistical processing of research results using Excel.
The authors declare that there is no conflict of interest.
