CC BY
13
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Научная статья УДК 635.21.639.17
Б01: 10.24412/2227-9407-2021-10-46-56
Теоретическое обоснование электродинамических параметров СВЧ-установки с полусферическими резонаторами для вытопки воска
Александр Владимирович Шевелев113, Марьяна Валентинован Просвирякова2,
Владимир Федорович Сторчевой3, Ольга Валентиновна Михайлова4, Галина Владимировна Новикова5
1 4 5Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия
2'3Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, Москва, Россия
[email protected]://orcid.org/0000-0002-6536-1419
2тагуапа_803@таИги, https://orcid.org/0000-0003-3258-260X
3energo-air@rgau-msha.т, https://orcid.org/0000-0002-6929-3919
[email protected]' https://orcid.org/0000-0001-9222-6450
Аннотация
Введение. Статья посвящена разработке и обоснованию электродинамических параметров сверхвысокочастотной установки для вытопки пасечного воска. Научной задачей является разработка СВЧ-установки непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими полусферическими резонаторами без экранирующего корпуса с магнетронами воздушного охлаждения, с высокой собственной добротностью и напряженностью электрического поля, позволяющей отделить и сохранить мед в процессе вытопки и обеззараживания пасечного воска с сохранением потребительских свойств и соблюдением электромагнитной безопасности. Материалы и методы. Теоретические исследования особенностей сферического резонатора, образованного двумя осесимметричными полусферами позволили разработать образец СВЧ-воскотопки, согласовать его конструкционные параметры с режимами работы.
Результаты и обсуждение. СВЧ-установка непрерывно-поточного действия с полусферическими резонаторами для вытопки пасечного воска с отделением меда содержит две неферромагнитные полусферы, состыкованные с общим вертикально расположенным керамическим двояковыпуклым кольцевым диском, образуя ме-таллодиэлектрический резонатор. На поверхности полусфер по наибольшему периметру расположены магнетроны воздушного охлаждения со сдвигом на 120 градусов, излучатели которых направлены внутрь резонатора. Внутри резонатора через отверстие керамического кольцевого диска проложен фторопластовый нагнетательный шнек, у которого первый и центральный витки неферромагнитные, а над первым неферромагнитным витком расположена неферромагнитная приемная емкость, а шаг витков не более, чем две глубины проникновения волны, при этом нижняя часть фторопластового корпуса нагнетательного шнека перфорирована. Снизу полусфер прикреплены запредельные волноводы с шаровыми кранами.
Заключение. Экспериментальные исследования подтвердили перспективность использования металлодиэлек-трического сферического резонатора с двояковыпуклым керамическим кольцевым диском в качестве рабочей камеры СВЧ-установки непрерывно-поточного действия, обеспечивающей отделение меда и вытопку воска при разных дозах воздействия ЭМПСВЧ и напряженностях электрического поля, достаточных для снижения бактериальной обсеменённости продукта.
Ключевые слова: воск, керамический выпуклый кольцевой диск, металлодиэлектрический резонатор, мёд, собственная добротность, технические характеристики установки
© Шевелев А. В., Просвирякова М. В., Сторчевой В.Ф., Михайлова О. В., Новикова Г. В., 2021
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: Шевелев А. В., Просвирякова М. В., Сторчевой В. Ф., Михайлова О. В., Новикова Г. В. Теоретическое обоснование электродинамических параметров СВЧ-установки с полусферическими резонаторами для вытопки воска // Вестник НГИЭИ. 2021. № 10 (125). С. 46-56. DOI: 10.24412/2227-9407-2021-10-46-56.
Theoretical substantiation of the electrodynamic parameters of a microwave installation with hemispherical resonators for melting wax
Alexandr V. Shevelev1, Mariana V. Prosviryakova2, Vladimir F. Storchevoy3, Olga V. Mikhailova4, Galina V. Novikova5
1 4 5Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia
2' 3Russian State Agrarian University-Moscow Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russia
'[email protected], https://orcid.org/0000-0002-6536-1419
[email protected], https://orcid.org/0000-0003-3258-260X
[email protected], https://orcid.org/0000-0002-6929-3919
[email protected], https://orcid.org/0000-0001-9222-6450
Abstract
Introduction. The article is devoted to the development and substantiation of the electrodynamic parameters of an ultra-high-frequency installation for melting beeswax. The scientific task is the development of a continuous-flow microwave installation with metal-dielectric hemispherical resonators without a shielding case with air-cooled magnetrons, with a high intrinsic Q-factor and electric strength, which makes it possible to separate and preserve honey during the melting and disinfection of apiary wax while maintaining consumer properties and compliance with electromagnetic safety.
Materials and methods. Theoretical studies of the features of a spherical resonator formed by two axisymmetric hemispheres made it possible to develop a sample of a microwave wax furnace, to match its design parameters with operating modes.
Results and discussion. A continuous-flow microwave installation with hemispherical resonators for melting beeswax with honey separation contains two non-ferromagnetic hemispheres docked with a common vertically located ceramic biconvex annular disk, forming a metal-dielectric resonator. On the surface of the hemispheres, along the largest perimeter, there are air-cooled magnetrons with a shift of 120 degrees, the emitters of which are directed inside the resonator. Inside the resonator, through the opening of the ceramic annular disk, a fluoroplastic injection screw is laid, in which the first and central turns are non-ferromagnetic, and a non-ferromagnetic receiving capacitance is located above the first non-ferromagnetic turn, and the pitch of the turns is not more than two penetration depths of the wave, while the lower part The fluoroplastic housing of the injection screw is perforated. Out-of-limit waveguides with ball valves are attached to the bottom of the hemispheres.
Conclusion. Experimental studies have confirmed the promise of using a metal-dielectric spherical resonator with a biconvex ceramic annular disk as a working chamber of a continuous-flow microwave installation, which ensures the separation of honey and the melting of wax at different doses of exposure to EMPHF and electric field strengths sufficient to reduce the bacterial contamination of the product.
Keywords: wax, ceramic convex annular disc, metal-dielectric resonator, honey, intrinsic Q factor, technical characteristics of the installation
For citation: Shevelev A. V., Prosviryakova M. V., Storchevoy V. F., Mikhailova O. V., Novikova G. V. Theoretical substantiation of the electrodynamic parameters of a microwave installation with hemispherical resonators for melting wax // Bulletin NGIEI. 2021. № 10 (125). P. 46-56. (In Russ.). DOI: 10.24412/2227-9407-2021-10-46-56
Введение
Актуальность темы исследования обусловлена использованием в условиях пасек малоэффективных воскотопок, работа которых основана на
воздействии паровоздушной смеси на восковое сырье [1; 2; 3]. При этом сохранить имеющийся в составе воскового сырья мёд (до 7 %) не представляется возможным. В связи с этим пасечные хозяйства
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
Энергия потерь пропорциональна объему, в котором они происходят: произведение площади поверхности на толщину поверхностного слоя (скин-слоя). Для практических расчетов значения собственной добротности полусферического резонатора можно пользоваться формулой, характеризующей отношение емкости к площади его поверхности с учетом толщины поверхностного слоя (скин-слоя). Собственная добротность сферического резонатора:
2-V 2 • 4-ж-R3 2 • R2
нуждаются в эффективной установке для вытопки воска с возможностью отделения из воскового сырья и сохранения фракции мёда при низких энергетических затратах [4].
Научной задачей является разработка СВЧ-установки непрерывно-поточного действия с ме-таллодиэлектрическим сферическим резонатором без экранирующего корпуса с магнетронами воздушного охлаждения, с высокой собственной добротностью и напряженностью электрического поля, позволяющей отделить мед в процессе вытопки и обеззараживания пасечного воска с сохранением потребительских свойств и соблюдением электромагнитной безопасности.
Материалы и методы
Научные задачи решались в следующей последовательности [5]:
1. Расчёт собственной добротности полусферического резонатора с учетом дифракционных потерь, определение требуемой мощности СВЧ-излучателей и максимально возможной напряженности создаваемого магнитного поля.
2. Анализ особенностей резонатора, образованного двумя осесимметричными полусферами и двояковыпуклым керамическим диском.
3. Согласование конструкционных параметров разрабатываемого образца СВЧ-установки с полученными теоретическими данными.
4. Разработка технологии вытопки пасечного воска с предварительным отделением меда.
5. Определение технических характеристик СВЧ-установки.
Результаты и обсуждение
Для оценки эффективности конструкционного исполнения СВЧ-установки непрерывно-поточного действия, позволяющей вытопить воск, предварительно отделив мед за счет использования двух полусферических резонаторов, обеспечивающих разную дозу воздействия ЭМПСВЧ, вычислена их собственная добротность. Далее оценим возможности возбуждения ЭМПСВЧ критической напряженностью, согласовав объем, мощность и напряженность ЭП.
Собственная добротность резонатора
определена как отношение энергии электромагнитного поля, запасенной в резонаторе, к энергии, теряемой за период собственных колебаний1. Запас энергии в резонаторе пропорционален его объему.
0 =
(1)
А-£ А-3-4-п-R А-3 ' где V, Б, R - объем, площадь поверхности и радиус сферического резонатора соответственно; А - толщина поверхностного слоя (скин-слой) для немагнитных материалов, например для алюминия А = 1,7210-5 м.
Для созданной установки с полусферическими резонаторами, радиусом 0,306 м, собственная добротность составляет:
Q<
2 •V
2-2-ж-R
2-R
2-0,306
'11860.
А-£ А-3-3-п-Я2 А-3 1,72-10^-3 Объем полусферического резонатора составляет V = --п-Rъ = --п-0,3063 = 0,06м\ 3 3
Согласование напряженности электрического поля, собственной добротности и объема полусферического резонатора можно проводить по форму-
ле1:
Е =
Q-P
Ю,27-ео-2я-f -V
11860-850-3
0,27 - 8,85 -10~12 - 6,28 - 2450 -106 - 0,06
= 1,17-103 В/см,
(2)
где Урезон. - объем резонатора, м3; Q - собственная добротность комбинированного резонатора; ео = 8,85-10-12 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
При собственной добротности, равной 11860 в объеме полусферического резонатора 0,6 м3, можно обеспечить напряженность электрического поля 1,17 кВ/см, что достаточно для снижения бактериальной обсемененности воска.
Керамический двояковыпуклый кольцевой диск, разделяющий сферический резонатор на две полусферы, представлен на рис. 1.
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
Рис. 1. Керамический двояковыпуклый кольцевой диск Fig. 1. Ceramic biconvex annular disc Источник: разработано авторами на основании исследований
Особенности резонатора, образованного двумя осесимметричными полусферами и керамическим двояковыпуклым кольцевым диском, отмечены в работах Братмана В. Л. [6]. Имеются исследования собственных колебаний простейших открытых резонаторов, в них рассмотрены простейшие собственные моды двух зеркальных резонаторов, и отмечено, что для достижения высокого КПД установки необходимо сделать достаточно большую эффективную длину взаимодействия электронов с волной и улучшить электродинамическую селекцию мод.
Поэтому нами предлагается металлодиэлек-трический резонатор, образованный двумя осесим-метричными неферромагнитными полусферами и керамическим двояковыпуклым кольцевым диском между ними вместо плоского неферромагнитного кольцевого диска. Известно, что рабочая камера со сферическим резонатором обладает максимальной собственной добротностью, а значит, имеет высокий КПД. Концентрация энергии электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшение потерь на излучение достигается благодаря применению керамического двояковыпуклого кольцевого диска, обладающего высоким значением диэлектрической проницаемости и малыми диэлектрическими потерями. Можно применять и кварцевый или фторопластовый диск. Они также обладают малыми диэлектрическими потерями (табл. 1).
Таблица 1. Тангенс угла диэлектрических потерь материалов и сырья
Table 1. Tangent of the angle of dielectric losses of materials and raw materials
Материал и сырье / Material and raw materials
Фторопласт / Fluoroplastic Кварц / Quartz Керамика / Ceramics Восковое сырье (мед, воск) / Raw wax (honey, wax) Мед / Honey Воск / Wax
Источник: составлено авторами на основании 1
(4-5)-10-4 (1-2)-10-4 (5-10)-10-4
1,83
2,23 0,47
Известно, что запасенная энергия в основном сосредоточена в диэлектрике, значение собственной добротности можно представить как единицу, деленную на тангенс угла диэлектрических потерь.
Проектируемый резонатор достаточно большого диаметра, пятикратен длине волны (X = 12,24 см), т. е. 61,2 см. При размерах полусфер, значительно превышающих длину волны, собственная добротность такого резонатора в диапазоне сантиметровых волн может достичь 104. Если линейные размеры резонатора 5-10 раз превышают длину волны генератора, то в нем возбуждается несколько видов колебаний, т. е. резонатор многомодовый. Происходит интерференция поля, в результате в некоторых точках сильные поля, а в других - слабые, т. е. поле будет неравномерное. При определенном наборе конструкционных и диэлектрических параметров керамического двояковыпуклого кольцевого диска можно осуществить селекцию двух низших ТЕ-мод по продольному индексу, т. е. решить задачу оптимизации конструкционного исполнения и размеров резонаторов, при которых в нем можно возбуждать только определенные виды колебаний и достичь более равномерного поля по объему. В резонаторах с криволинейными поверхностями электромагнитные поля формируются волнами, распространяющимися внутри двояковыпуклого керамического диска и падающими на боковую криволинейную неферромагнитную поверхность волнами. Значит можно использовать данный резонатор в качестве электродинамической системы с мощными сверхвысокочастотными генераторами. Необходимую мощность генератора можно получить с использованием набора маломощных магнетронов воздушного охлаждения и правильным пространственным их расположением на поверхности сферического металлодиэлектрического резонатора [6; 7; 8].
Граничные условия. Две полусферы с диаметром 2а, радиусом кривизны Я разнесены на расстояние Ь, так как между ними имеется двояковыпуклый керамический кольцевой диск. Резонансное колебание состоит из встречных волновых пучков, переотражающихся друг в друга на полусферах и от диска. За счет переотражения поперечной однородной
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
Т-волны неферромагнитными полусферами образуется стоячая волна, что свидетельствует о наличии колебательного процесса. Условие резонанса в таком резонаторе, как у любого объемного резонатора:
(3)
7 1 1 = 2'
где X - длина волны (12,24 см); p = 1, 2, 3 - кратность волны.
В середине резонатора волны имеют плоский фазовый фронт и минимальный размер, а у вершин полусфер волновой пучок расширяется.
К =' L
'2-п/Я
•4'2 -1 )/4L ;
К -
—I2 - LI/4L
2-п/1 VI R ) R
12 - L'
R
r - l. 2
1 +
4-п h2 Л
v 1 L )
2^
(4)
где Я — радиус кривизны; Ь — расстояние между вершинами полусфер при наличии между ними двояковыпуклого керамического кольцевого диска.
При отражении от полусфер волновой пучок превращается во встречный, но между полусферами расположен двояковыпуклый керамический кольцевой диск, поэтому происходит дифракция. Если рассмотреть колебания, поперечная структура которых в кольцевом диске может быть описана двумя низшими модами, то такая модель позволяет объяснить основные закономерности поведения полей собственных колебаний в резонаторе. Структуру поля в резонаторе следует учесть при выборе параметров резонатора. Предварительные расчеты показывают возможность создания металлодиэлектриче-ского резонатора с высокими селективными свойствами. Рабочая камера на основе полусфер и двояковыпуклого керамического диска имеет перспективу, будучи энергетически эффективной. ЭМП имеет три составляющие, в том числе напряженность электрического поля:
E.=
Eo • sin в
•Jr
Jз/2 ( k-r ) '
(5)
где Ео - напряженность электрического поля в резонаторе, В/м; k = 2 л/Х - волновое число среды, заполняющей резонатор; - определяет функции Бесселя; г — параметр, зависящий от координат точки наблюдения и отверстия.
Диаметр сферы в практике можно принять кратным длине волны, например,
Б = p•Х = 5-12,24 = 61,2 см,
где р = 1, 2, 3...- кратность, Б - диаметр сферы. Например, при р = 5 диаметр сферического резонатора составит 61,2 см, что конструктивно приемлемо.
В полусфере имеется отверстие, где расположены начальные витки фторопластового шнека. Для ограничения излучения эти витки шнека, расположенные в приемной емкости, выполнены из неферромагнитного материала, тем не менее поперечный размер отверстия следует согласовать напряженностью электрического поля в точке наблюдения.
Определим излучение электромагнитных волн из отверстия по осевому периметру металло-диэлектрического сферического резонатора размерами 2а х 21.
Отверстие со стороны резонатора z <0 возбуждается однородной плоской волной с комплексной амплитудой Е0 ехр (—(■ 2 —)1у. Рассмотрим
поле, существующее в пространстве z > 0, на расстоянии от сферического резонатора большим по сравнению как с длиной волны Х, так и с поперечным размером отверстия. Вектор напряженности электрического поля в точке наблюдения Р по методике Баскакова С. И. [9] определяется по формуле:
Е> =
Е
о
4-п
j-P
- jP-r
-(1 + cos $)
cos$
- jP -r
dS, (6)
г г
где ( = 2 -ж- / ■ ■ ¡и0, рад/м - коэффициент фазы; - площадь отверстия, м2. В случае г > X,
3Ео'Р
Е>=-
4-7Г
-(1 + cos£)J|
o-jP-r Л
-dS.
(7)
Уравнение выражает то, что электрическое поле в точке наблюдения есть суперпозиция полей от бесконечно малых излучений. Для наших целей достаточна численная оценка электродинамических характеристик сферического резонатора с дальнейшей коррекцией расчетных результатов на основе экспериментальных данных.
Опираясь на анализируемые данные, изготавливается СВЧ-установка непрерывно-поточного действия с сферическим металлодиэлектрическим резонатором с учетом обоснованных электродинамических параметров для отделения меда в процессе вытопки воска (рис. 2). Предварительные результаты показывают, что существенное различие в экспериментальных и расчетных данных имеет место в области стыковки двояковыпуклого керамического кольцевого диска с полусферами. Остальные рас-
s
_ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
четные результаты пригодны для инженерной оценки электродинамических характеристик.
Максимальная напряженность электрического поля около керамического выпуклого диска (в точке фокуса) при мощности СВЧ-излучателей 5,1 кВт может достигать до 1,2 кВ/см. Такая напряженность более чем достаточна для снижения бактериальной обсемененности воска [10; 11; 12]. В то же время следует отметить, что нестабильность частоты, генерируемой магнетронами малой мощности (850 Вт) с воздушным охлаждением при использовании выпрямительного блока, не высокого качества.
СВЧ-установка (рис. 2) непрерывно-поточного действия с полусферическими резонаторами для вытопки пасечного воска с отделением меда содержит две неферромагнитные полусферы 1 и 2, состыкованные с общим вертикально расположенным керамическим выпуклым перфорированным кольцевым диском 3, образуя полусферические резонаторы. На поверхности полусфер 1 и 2 по наибольшему периметру расположены магнетроны 13 воздушного охлаждения со сдвигом на 120 градусов, излучатели которых направлены внутрь резонаторов.
1
а/а б/b
Рис. 2. СВЧ-установка непрерывно-поточного действия с полусферическими резонаторами для вытопки
пасечного воска с отделением меда: а - пространственное изображение установки; б - схематическое изображение; 1, 2 - перфорированные полусферические резонаторы; 3 - керамический перфорированный выпуклый кольцевой диск; 4 - фторопластовая труба (корпус шнека); 5 - фторопластовые витки нагнетательного шнека; 6 - фторопластовый вал; 7 - перфорированная часть фторопластовой трубы; 8 - запредельные волноводы; 9 - шаровые краны; 10 - электропривод нагнетательного шнека; 11 - приемная емкость из неферромагнитного материала с заслонкой; 12 - неферромагнитные витки нагнетательного шнека; 13 - магнетроны Fig. 2. continuous-flow microwave installations with hemispherical resonators for melting beeswax with honey separation: a - spatial image of the installation; b - schematic image; c) installation nodes; , 2 - perforated hemispherical resonators; 3 - ceramic perforated convex ring disk; 4 - fluoroplast pipe (screw body);
5 - fluoroplast coils of the injection screw; 6 - fluoroplast shaft; 7 - the perforated part of the fluoroplast pipe; 8 - transcendental waveguides; 9 - ball valves; 10 - electric drive of the discharge screw; 11 - receiving tank made of non-ferromagnetic material with a flap; 12 - non-ferromagnetic turns of the discharge screw; 13 - magnetrons Источник: разработано авторами на основании исследований
Внутри полусферических резонаторов через отверстие кольцевого диска 3 проложен фторопластовый нагнетательный шнек (корпус 4, диэлектрические витки 5), у которого первый и центральный витки 12 неферромагнитные, а над первым неферромагнитным витком расположена неферромагнитная приемная емкость 11, при этом шаг витков не более, чем две глубины проникновения волны в
восковое сырье. Нижняя часть 7 фторопластового корпуса 4 нагнетательного шнека перфорирована, а диэлектрический вал 6 шнека соединен с валом электродвигателя 10, расположенного с наружной стороны полусферического резонатора 1. Снизу полусфер 1, 2 прикреплены запредельные волноводы 8 с шаровыми кранами 9.
ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE
ковое сырье, находясь в первом резонаторе, разогревалось до 44 °С - при этом значении увеличится текучесть фракции меда и он через перфорацию 7 фторопластового корпуса утечет в нижнюю часть резонатора, где через запредельный волновод 8 при открытии шарового крана 9 попадает в приемную емкость. Оставшаяся часть воска, находясь еще в твердом состоянии, шнеком подается во второй полусферический резонатор с более высокой интенсивностью воздействия ЭМПСВЧ, достаточной, чтобы разогреть его до температуры плавления (63,5-63,7 °С) [13; 14]. Жидкий воск также через перфорацию корпуса шнека, а затем через запредельный волновод второго резонатора утекает в приемную емкость. Производительность установки зависит от количества СВЧ-генераторов, от электрофизических параметров исходного пчелиного воскового сырья и содержания в нем меда [15; 16; 17; 18; 19; 20]. Схематическое изображение СВЧ-установки с указанием конструкционно-технологических параметров приведено на рис. 3.
Технические характеристики СВЧ-установки для вытопки воска с отделением меда приведены в табл. 2.
Технологический процесс вытопки пасечного воска с отделением меда в СВЧ-установке происходит следующим образом. Восковое сырье загружается в приемную емкость 11. При включении электропривода 10, приводящего во вращение фторопластовый вал 6, забрус посредством витков 12 нагнетательного шнека во фторопластовом корпусе поступает в первый резонатор 1. В этот момент необходимо включить СВЧ-генераторы 13, которые начнут возбуждать электромагнитное поле сверхвысокой частоты (12,24 см, 2450 МГц). Витки нагнетательного шнека, находящиеся под приемной емкостью, а также средние витки выполнены из неферромагнитного материала, что позволяет им ограничивать распространение ЭМП в окружающую среду и между 1 -м и 2-м резонатором. Расстояние между витками в первом резонаторе согласовано с глубиной проникновения волны (не >2 длины) в восковое сырье, что позволяет осуществлять его равномерный нагрев за счет токов поляризации в соответствии значениям фактора диэлектрических потерь. Частота вращения нагнетательного шнека и мощности СВЧ-генераторов подобраны таким образом, чтобы вос-
Рис. 3. Схематическое изображение СВЧ-установки с указанием конструкционно-технологических параметров Fig. 3. Schematic representation of a microwave installation with an indication of the design and technological parameters Источник: разработано авторами на основании исследований
Вестник НГИЭИ. 2021. № 10 (125). C. 46-56. ISSN2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2021. № 10 (125). P. 46-56. ISSN 2227-9407 (Print)
_ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Таблица 2. Технические характеристики СВЧ-установки для вытопки воска с отделением меда Table 2. Technical characteristics of a microwave installation for melting wax with honey separation
Параметр / Parameter
Значение / Meaning
Производительность установки, кг/ч / Installation productivity, kg/h Мощность установки, кВт / Installation power, kW Мощность СВЧ-генераторов, кВт / Microwave generator power, kW Мощность вентилятора для охлаждения магнетронов, кВт / Fan power for cooling magnetrons, kW
Мощность привода нагнетательного шнека, кВт / Discharge auger drive power, kW Частота вращения шнека, мин.-1 / Screw rotation speed, min.-1 Энергетические затраты, кВт-ч/кг / Energy costs, kW-h/kg Габаритные размеры, мм / Overall dimensions, mm Источник: составлено авторами на основании исследований
38-41 5,6 5,1
0,25
0,25 5,8 0,136 1000x1000
Заключение
В целом выполненные предварительные экспериментальные исследования подтвердили перспективность использования металлодиэлектриче-ского сферического резонатора с выпуклым перфорированным кольцевым диском в качестве рабочей камеры СВЧ-установки непрерывно-поточного дей-
ствия, обеспечивающей отделение меда и вытопку воска при разных дозах воздействия ЭМПСВЧ и напряженностях электрического поля, достаточных для снижения бактериальной обсеменённости продукта. Ожидаемые энергетические затраты 0,136 кВт-ч/кг, что ниже чем при использовании традиционной воскотопки ВТП-23 (0,27 кВт-ч/кг).
Примечания:
1 Пчельников Ю. Н. Электроника сверхвысоких частот [Электронный ресурс]. Режим доступа: Шр ://padaread. сот/?Ьоок=28178
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Рогов А. А. Технология и агрегат для вытопки воска из пчелиных сотов : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Рязань, Рязан. гос. агротехнол. ун-т. 2009. 22 с.
2. Кудряков Е. В., Яковлев Д. А., Сыркин В. А. Классификация устройств для растапливания пчелиного воска // Электрооборудование и электротехнологии в сельском хозяйстве. 2017. С. 125-129.
3. Максимов Н. М. Анализ оборудования для получения пчелиного воска на пасеках // Вестник Совета молодых ученых Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева. 2018. № 1 (6). С. 66-71.
4. Бышов Д. Н., Каширин Д. Е., Павлов В. В. Анализ перспективных направлений повышения качества и выхода сортового пчелиного воска // Технологические новации как фактор устойчивого и эффективного развития современного агропромышленного комплекса. 2020. С. 77-81.
5. Архангельский Ю. С., Юдина В. О. Согласованные задачи в проектировании методических СВЧ электротермических установок // Вопросы электротехнологии. 2016. № 4 (13). С. 10-15.
6. Братман В. Л., Денисов Г. Г., Луковников Д. А. Теория Мазера на циклотронном авторезонансе с открытой электродинамической системой // Известие вузов. Радиофизика. 1990. Т. 33. № 9. С. 976-986.
7. Новикова Г. В., Тихонов А. А., Осокин В. Л. Рабочие камеры СВЧ установок для термообработки сырья в непрерывном режиме с соблюдением электромагнитной безопасности // Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК. М. : РГАУ-МСХА, 2019. С. 111-119.
8. Гришина Е. М. Расчет установки для СВЧ обработки материалов с различными диэлектрическими свойствами // Вестник Саратовского государственного технического университета. Т. 2. № 2с (66). 2012. С. 54-58.
9. Баскаков С. И. Электродинамика и распространение радиоволн : учебное пособие. Москва, 2011. Сер. Классика инженерной мысли (КИМ): радиотехника. 416 с.
ХЖХЖХХ ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
10. 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.
11. Ихлов Б. Л., Мельниченко А. В., Ощепков А. Ю. Действие сверхвысокочастотного электромагнитного поля на микроорганизмы // Вестник новых медицинских технологий. Т. 24. № 2. 2017. С. 141-146.
12. Ихлов Б. Л., Ощепков А. Ю., Новикова В. В., Мельниченко А. В., Вольхин И. Л., Чиркова Л. А. О влиянии электромагнитного поля высокой частоты на E. Coli // Современные проблемы науки и образования. 2016. № 5. С. 82.
13. Гинзбург А. С., Громов М. Л., Красовская Г. И., Уколов В. С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов. Монография. Москва, 1975. 224 с.
14. Лузгин Н. Е., Утолин В. В., Коченов В. В., Чекайкин С. В. Исследование динамической вязкости расплавленного пчелиного воска // Инновационная техника и технология. 2018. № 2 (15). С. 33-37.
15. Диденко А. Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика. М. : Наука, 2003. 446 с.
16. Шматько А. А., Одаренко Е. Н. Электроника сверхвысоких частот : учебное пособие / Под ред. А. А. Шматько. Харьков, Харьковский нац. ун-т им. В. Н. Каразина. 2003. 246 с.
17. Стрекалов А. В. Электромагнитные поля и волны : учебное пособие / Под ред. А. А. Смирнова. Ставрополь, «Мир данных», 2006. 169 с.
18. Гришина Е. М., Архангельский Ю. С. Многокритериальная технико-экономическая оптимизация в СВЧ электротермии // Вестник Саратовского государственного технического университета. Т. 1. № 1 (69). 2013. С.21-27.
19. Ушакова Н. Ф., Копысова Т. С., Касаткин В. В., Кудряшова А. Г. Опыт применения СВЧ-энергии при производстве пищевых продуктов // Пищевая промышленность. 2013. № 10. С. 30-32.
20. Орлов В. В., Алферов А. С. Перспективы применения микроволновой обработки жидких пищевых продуктов // НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2006. № 2 (2). С. 52-54.
Дата поступления статьи в редакцию 4.08.2021, одобрена после рецензирования 6.09.2021,
принята к публикации 9.09.2021.
Информация об авторах:
A. В. Шевелев - соискатель ученой степени, Spin-код: 8308-0752;
М. В. Просвиряков - доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация и роботизация технологических процессов им. академика И. Ф. Бородина», Spin-код: 5642-4560;
B. Ф. Сторчевой - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация и роботизация технологических процессов им. академика И. Ф. Бородина», Spin-код: 3546-7363;
О. В. Михайлова - доктор технических наук, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», Spin-код 9437-0417;
Г. В. Новикова - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Spin-код: 3317-5336.
Заявленный вклад авторов:
Шевелев А. В. - сбор и обработка материалов, анализ диэлектрических параметров воскового сырья, разработка конструкционного исполнения сферического резонатора.
Просвирякова М. В. - подготовка текста статьи, разработка конструкционного исполнения установки, обоснование кинематических параметров нагнетательного шнека.
Сторчевой В. Ф. - формулирование основной концепции исследования, подготовка окончательного варианта статьи.
Михайлова О. В. - разработка ЗD-модели установки и составление схемы технологического процесса, доработка текста.
Новикова Г. В. - общее руководство проектом, обоснование электродинамических параметров установки, проведение критического анализа материалов, формулирование заключения.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
54
XXXX ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ХХХХ
REFERENCES
1. Rogov A. A. Tekhnologiya i agregat dlya vytopki voska iz pchelinyh sotov [Technology and unit for melting wax from bee combs. Ph. D. (Engineering) thesis], Ryazan', Ryazan. gos. agrotekhnol. un-t, 2009, 22 p.
2. Kudryakov E. V., Yakovlev D. A., Syrkin V. A. Klassifikaciya ustrojstv dlya rastaplivaniya pchelinogo voska [Classification of devices for melting beeswax], Elektrooborudovanie i elektrotekhnologii v sel'skom hozyajstve [Electrical equipment and electrical technologies in agriculture], 2017, pp. 125-129.
3. Maksimov N. M. Analiz oborudovaniya dlya polucheniya pchelinogo voska na pasekah [Analysis of equipment for obtaining beeswax in apiaries], Vestnik Soveta molodyh uchenyh Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta imeni P. A. Kostycheva [Bulletin of the Council of Young Scientists of the Ryazan State Agrotechnological University named after P. A. Kostychev], 2018. No. 1 (6). pp. 66-71.
4. Byshov D. N., Kashirin D. E., Pavlov V. V. Analiz perspektivnyh napravlenij povysheniya kachestva i vyhoda sortovogo pchelinogo voska [Analysis of promising directions for improving the quality and yield of varietal beeswax], Tekhnologicheskie novacii kakfaktor ustojchivogo i effektivnogo razvitiya sovremennogo agropromyshlen-nogo kompleksa [Technological innovations as a factor of sustainable and effective development of modern agro-industrial complex], 2020, pp. 77-81.
5. Arhangel'skij Yu. S., Yudina V. O. Soglasovannye zadachi v proektirovanii metodicheskih SVCH el-ektrotermicheskih ustanovok [Agreed tasks in the design of methodological microwave electrothermal installations], Voprosy elektrotekhnologii [Issues of electrotechnology], 2016, No. 4 (13), pp. 10-15.
6. Bratman V. L., Denisov G. G., Lukovnikov D. A. Teoriya Mazera na ciklotronnom avtorezonanse s otkrytoj elektrodinamicheskoj sisitemoj [Mazer's theory on cyclotron autoresonance with an open electrodynamic system], Izvestie vuzov. Radiofizika [Izvestiya vuzov. Radiophysics], 1990, Vol. 33, No. 9, pp. 976-986.
7. Novikova G. V., Tihonov A. A., Osokin V. L. Rabochie kamery SVCH ustanovok dlya termoobrabotki syr'ya v nepreryvnom rezhime s soblyudeniem elektromagnitnoj bezopasnosti [Working chambers of microwave installations for heat treatment of raw materials in a continuous mode in compliance with electromagnetic safety], Peredovye dostizheniya v primenenii avtomatizacii, robotizacii i elektrotekhnologij v APK [Advanced achievements in the application of automation, robotization and electrical technologies in the agro-industrial complex], Moscow: RGAU-MSKHA, 2019, pp. 111-119.
8. Grishina E. M. Raschet ustanovki dlya SVCH obrabotki materialov s razlichnymi dielektricheskimi svojst-vami [Calculation of the installation for microwave processing of materials with different dielectric properties], Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], Vol. 2. No. 2s (66). 2012. pp. 54-58.
9. Baskakov S. I. Elektrodinamika i rasprostranenie radiovoln [Electrodynamics and radio wave propagation: a tutorial], Moscow, 2011. Ser. Klassika inzhenernoj mysli (KIM): radiotekhnika, 416 p.
10. Luzgin N. E., Utolin V. V., Nagaev N. B., Luzgina E. S., Grunin N. A. Rezul'taty izucheniya svojstv pchelinogo voska [Results of studying the properties of beeswax], Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta im. P. A. Kostycheva [Bulletin of the Ryazan State Agrotechnological University named after P. A. Kostycheva], 2017. No. 1 (33). pp. 80-85.
11. Ihlov B. L., Mel'nichenko A. V., Oshchepkov A. Yu. Dejstvie sverhvysokochastotnogo elektromagnitnogo polya na mikroorganizmy [The action of a microwave electromagnetic field on microorganisms], Vestnik novyh medicinskih tekhnologij [Bulletin of new medical technologies], Vol. 24, No. 2, 2017, pp. 141-146.
12. Ihlov B. L., Oshchepkov A. Yu., Novikova V. V., Mel'nichenko A. V., Vol'hin I. L., Chirkova L. A. O vliyanii elektromagnitnogo polya vysokoj chastoty na E. Coli [About the influence of the electromagnetic field of high frequency on E. Coli], Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education], 2016, No. 5, pp. 82.
13. Ginzburg A. S., Gromov M. L., Krasovskaya G. I., Ukolov V. S. Teplofizicheskie harakteristiki pishchevyh produktov i materialov [Thermophysical characteristics of food products and materials. Monograph], Moscow, 1975, 224 p.
14. Luzgin N. E., Utolin V. V., Kochenov V. V., Chekajkin S. V. Issledovanie dinamicheskoj vyazkosti rasplavlennogo pchelinogo voska [Investigation of the dynamic viscosity of molten beeswax], Innovacionnaya tekhni-ka i tekhnologiya [Innovative technique and technology], 2018, No. 2 (15), pp. 33-37.
ХЖХЖХХ ELECTROTECHNOLOGY AND ELECTRIC EQUIPMENT IN AGRICULTURE XXXXXX_
15. Didenko A. N. SVCH-energetika: Teoriya i praktika [Microwave Energy: Theory and Practice], Moscow: Nauka, 2003, 446 p.
16. Shmat'ko A. A., Odarenko E. N. Elektronika sverhvysokih chastot [Electronics of microwave frequencies: a tutorial], In A. A. Shmat'ko (ed.), Har'kov, Har'kovskij nac. un-t im. V. N. Karazina, 2003, 246 p.
17. Strekalov A. V. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves: a tutorial], In A. A. Smimov (ed.), Stavropol', «Mir dannyh», 2006, 169 p.
18. Grishina E. M., Arhangel'skij Yu. S. Mnogokriterial'naya tekhniko-ekonomicheskaya optimizaciya v SVCH elektrotermii [Multicriteria technical and economic optimization in microwave electric heat], Vestnik Sara-tovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], Vol. 1, No. 1 (69), 2013, pp. 21-27.
19. Ushakova N. F., Kopysova T. S., Kasatkin V. V., Kudryashova A. G. Opyt primeneniya SVCH-energii pri proizvodstve pishchevyh produktov [Experience in the use of microwave energy in the production of food products], Pishchevayapromyshlennost' [Food industry], 2013, No. 10, pp. 30-32.
20. Orlov V. V., Alferov A. S. Perspektivy primeneniya mikrovolnovoj obrabotki zhidkih pishchevyh produktov [Prospects for the use of microwave processing of liquid food products], NIUITMO. Seriya «Processy i apparaty pishchevyh proizvodstv» [NRU ITMO. Series «Processes and Apparatus for Food Production»], 2006, No. 2 (2), pp. 52-54.
The article was submitted 4.08.2021; approved after reviewing 6.09.2021; accepted for publication 9.09.2021.
Information about the authors: A. V. Shevelev - applicant for the degree Ph. D. (Engineering), Spin-code: 8308-0752;
M. V. Prosviryakova - Dr. Sci. (Engineering), professor the Department of Automation and Robotization of Technological Processes named after Academician I. F. Borodin, Spin-code: 5642-4560;
V. F. Storchevoy - Dr. Sci. (Engineering), professor, the Department of Automation and Robotization of Technological Processes named after Academician I. F. Borodin, Spin-code: 3546-7363;
O. V. Mikhailova - Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Department of «Infocommunication Technologies and Communication Systems», Spin-code: 9437-0417;
G. V. Novikova - Dr. Sci. (Engineering), professor, chief researcher, Spin code: 3317-5336.
Ccontribution of the authors:
Shevelev A. V. - collection and processing of materials, analysis of the dielectric parameters of wax raw materials, development of the structural design of a spherical resonator.
Prosviryakova M. V. - preparation of the text of the article, development of the structural design of the installation, justification of the kinematic parameters of the injection screw.
Storchevoy V. F. - formulation of the main concept of the study, preparation of the final version of the article. Mikhailova O. V. - development of a 3D model of the installation and drawing up a scheme of the technological process, revision of the text.
Novikova G. V. - general project management, justification of the electrodynamic parameters of the installation, conducting a critical analysis of materials, formulating a conclusion.
The authors declare no conflicts of interests.
