CC BY
4УДК 675.053.44:675.031.81:636.92:537.811
УСТАНОВКИ, ЭФФЕКТИВНО ФУНКЦИОНИРУЮЩИЕ ПРИ ОТДЕЛЕНИИ ПУХА ОТ ШКУРОК КРОЛИКОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Е.А. Шамин, Г.В. Новикова, М.В. Белова, И.М. Замятина
ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», Княгинино, Россия
Аннотация. Целью настоящей работы является разработка установки с нетрадиционными высокодобротными резонаторами, обеспечивающими воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) в непрерывном режиме для ослабления силы удерживаемости пуха в коже шкурок кроликов при высокой напряженности электрического поля, снижающего
жизнеспособность микроорганизмов вегетативной формы. Описана разработанная СВЧустановка с усеченным коническим резонатором для отделения пуха от шкурок кроликов в периодическом режиме. Установка обеспечивает ускорение процесса отделения пуха от шкурок кроликов, сила удерживаемости которого в волосяной луковице ослабляется за счет воздействия равномерно распределенного диссектором ЭМПСВЧ в объеме резонатора и за счет растирания каменной солью поверхность мездры. СВЧ установка содержит резонатор с запредельным волноводом, внутри которого соосно установлена фторопластовая правилка на валу. Ближе к крышке резонатора установлен магнетрон и около излучателя имеется диссектор. Показана технологическая линия переработки шкурок кроликов, предусматривающая два способа сбора пуха со шкурок кроликов в зависимости от продолжительности после съема шкурок кроликов. В случае продолжительности после забоя кроликов до 2 часов можно использовать рассол или специальную опару для ускорения процесса ослабления силы удерживаемости пуха в мездре при воздействии ЭМПСВЧ. Если продолжительность после съема шкурки кролика более 2 часов, то воздействие ЭМПСВЧ на шкурку следует проводить в процессе разрыхления мездры каменной солью.
Ключевые слова: каменная соль, критерии функционирования, нетрадиционные резонаторы, пух, шкурки кроликов.
Введение. Целью настоящей работы является разработка Агротехника и энергообеспечение. - 2020. - № 2 (27)
установки с нетрадиционными высокодобротными резонаторами, обеспечивающими воздействие ЭМПСВЧ в непрерывном режиме для уменьшения силы удерживаемости пуха в коже шкурок кроликов при высокой напряженности электрического поля, снижающего жизнеспособность микроорганизмов вегетативной формы.
Материалы и методы исследования. Методика реализации микроволновой технологии и установки, предназначенные для отделения пуха от шкурок кроликов, следующая: исследование проблемы выделки и реализации шкурок в кролиководческих хозяйствах; исследование научно-технического потенциала в регионе; мониторинг технологических и технических задач, связанных с переработкой шкурок кроликов, и способы их решения; проведение исследования технологических процессов отделения волосяного покрова от шкурок кроликов и разработка конструкторской документации на инновационные технические средства с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), предназначенные для сбора пуха со шкурок кроликов; выявление сельскохозяйственных товаропроизводителей, как потенциальных потребителей инновационных технологий и установок для отделения пуха от шкурок кроликов; анализ разработанных установок по уровню реализации основных критериев функционирования и эксплуатационных затрат.
Результаты и обсуждение. Анализ способов сбора волосяного покрова со шкур животных показывает, что обеспечить эффективное протекание процессов уменьшения силы удерживаемости волокон в эпидермисе шкурки кролика можно за счет избирательного диэлектрического нагрева при воздействии ЭМПСВЧ [1, 2].
В связи с этим проведены теоретические исследования по обоснованию конструкционно-технологических параметров СВЧ установок, имеющих разные нетрадиционные резонаторы, где происходит отделение пуха от шкурок кроликов. В результате чего получены: математические зависимости, описывающие динамику нагрева мездры при разных дозах воздействия ЭМПСВЧ на шкурки кроликов; математические выражения, описывающие ослабление силы удерживаемости волосяных луковиц в коже шкурок от дозы воздействия ЭМПСВЧ; визуализированные картины распределения напряженности электромагнитного поля, значения напряженности электрического поля, плотности потока мощности в объеме нетрадиционных резонаторах, а также величину их собственной добротности по программе CST Microwave Studio.
На основании этих исследований разработаны более 20 сверхвысокочастотных установок с обоснованными конфигурациями и размерами нетрадиционных объемных резонаторов, обеспечивающих
электромагнитную безопасность при отделении обеззараженного пуха от шкурок кроликов.
Экспериментальные исследования технологического процесса отделения пуха от шкурок кроликов предусматривают:
- составление матрицы планирования экспериментов, определение варьируемых параметров и критериев оценки технологического эффекта, получение регрессионных моделей функционирования СВЧ установок с разными рабочими камерами, обеспечивающими ослабление силы удерживаемости волосяных луковиц в эпидермисе, сбор пуха;
- оценку микробиологических и органолептических показателей собранного пуха при воздействии ЭМПСВЧ на шкурки кроликов;
- согласование теоретических и экспериментальных значений конструкционно-технологических параметров и режимов работы СВЧ установок, обеспечивающих сбор пуха со шкурок кроликов;
- апробацию СВЧ установок для отделения пуха от шкурок кроликов в производственных условиях и корректировку режимов работы;
- технико-экономическую оценку применения СВЧ установок для сбора пуха со шкурок в кролиководческих хозяйствах;
- разработку рекомендаций производству и технического задания, технических условий, инструкций по монтажу и эксплуатации опытной установки;
- определение перспективного направления применения микроволновой технологии в кролиководческих хозяйствах.
Проект направлен на разработку установок с нетрадиционными высокодобротными резонаторами, обеспечивающими воздействие ЭМПСВЧ в непрерывном режиме для ослабления силы удерживаемости пуха в коже шкурок кроликов при высокой напряженности электрического поля, снижающего жизнеспособность микроорганизмов вегетативной формы.
Применение многогенераторных СВЧ установок с несколькими маломощными магнетронами с воздушным охлаждением и нетрадиционными резонаторами позволяют: увеличить производительность; обеспечить многократное воздействие ЭМПСВЧ на сырье, причем каждый генератор может работать без синхронизации, их можно включать так, чтобы связь между ними была минимальной; снизить стоимость и эксплуатационные расходы источников питания; снизить длительность простоя оборудования при замене отдельных блоков; управлять индивидуальным режимом работы каждого генератора.
Наличие нескольких излучателей в одном нетрадиционном резонаторе и не синхронная работа генераторов дают усреднение
суммарных отражений, что приводит к высокой степени распределения ЭМП в резонаторе и, соответственно, к необходимой равномерности нагрева сырья [3, 4].
Нами разработаны различные конструкционные исполнения нетрадиционных резонаторов СВЧ установок, где нагрев сырья происходит в поле бегущей волны или в поле стоячей волны. При этом учитывали изменение величины затухания, прямо пропорционально связанное с температурой и массовой долей влаги в сырье при нагреве в поле бегущей волны.
Технические средства выбраны с учетом поставленных задач: разработать СВЧ установки на основе базовых маломощных магнетронов с воздушным охлаждением и рабочих органов, выполняющих функцию объемных резонаторов для реализации технологий обработки шкурок кроликов: сушки шкурок; отделения обеззараженного пуха от шкурок кроликов; гранулирования кожи для белкового корма
Критерии проектирования СВЧ установок.
В разработанных установках с нетрадиционными резонаторами реализованы нижеприведенные критерии:
1. Установка обеспечивает непрерывный режим работы при соблюдении электромагнитной безопасности для обслуживающего персонала.
2. Напряженность электрического поля в объемном резонаторе больше критической, при которой в сырье останавливается жизнеспособность бактериальной микрофлоры вегетативной формы.
3. Рабочая камера, включающая резонаторы, обеспечивает многократное воздействие ЭМПСВЧ с соблюдением скважности технологического процесса менее 0,5.
4. Производительность СВЧ установки регулируется за счет использования нескольких маломощных магнетронов с воздушным охлаждением и изменением мощности каждого генератора.
5. Конфигурация объемного резонатора обеспечивает максимальную собственную добротность и равномерность распределения электрического поля в сырье с учетом глубины проникновения волн [5].
6. Доза воздействия ЭМПСВЧ на сырье регулируется в зависимости от размеров шкурок кроликов. Продолжительность воздействия регулируется скоростью передвижения транспортирующих механизмов, а удельная мощность - объемом загрузки и мощностью генератора.
7. Установка содержит узлы, обеспечивающие: впитывание рассола или опары мездрой шкурки, вычесывание, сбор пухового сырья.
8. При многократном воздействии ЭМПСВЧ кожа с мездровой тканью, пропитанной рассолом или опарой, эндогенно нагревается не более чем на 35-40оС.
9. Интенсивность теплообразования контролируется регулированием мощности СВЧ генераторов в зависимости от объема загрузки.
10. Влажный воздух удаляется при сохранении радиогерметичности установки.
11. Запредельные волноводы ограничивают излучение из СВЧ установок до нормативных пределов при подаче и выгрузке шкурок.
В данной научной работе описана одна из СВЧ установок для отделения пуха от шкурок кроликов в периодическом режиме. В ней используя резонатор в виде усеченного конуса реализовано большинство вышеуказанных критериев. Предварительно проведен анализ аналогов, уже разработанных СВЧ установок, предназначенных для указанной технологической операции.
Известна сверхвысокочастотная (СВЧ) установка с эллипсоидными резонаторами для отделения волосяного покрова со шкурок кроликов в непрерывном режиме (патент № 2703915). В установке происходит ослабление силы удерживаемости волосяного покрова в эпидермисе кожи, в процессе передвижения эллипсоидных резонаторов со шкурками на правилках, мездровая сторона которых увлажняется рассолом, залитым в диэлектрический корпус в виде усеченного конуса. Недостатком данной конструкции является то, что выравнивание температуры и давления в объеме шкурки достигается за счет регулирования скважности технологического процесса (нагрев-пауза), а не за счет равномерного распределения электромагнитного поля сверхвысокой частоты в объеме эллипсоидного резонатора. Рассол в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) смягчает кожу, расширяет поры, разрушает волосяные луковицы и освобождает волосяной покров от дермы парных шкурок. Если после съемки шкурок кроликов прошло более 2 часов, то происходит скукоживание эпидермиса и пух трудно отделяется.
Известно, что для равномерного нагрева сырья необходимо обеспечить в резонаторе как можно больше видов колебаний электромагнитного поля вблизи рабочей частоты. Одним из способов возбуждения волн близкой к рабочей частоте 2450 МГц является использование вращающегося диссектора вблизи излучателя [6, 7]. Диссектор во время вращения своими лопастями возмущает электромагнитное поле в том месте, где СВЧ энергия поступает в резонаторную камеру. В результате условия возбуждения для различных видов волн меняются, происходит изменение общей структуры электромагнитного поля и соотношения амплитуд
различных видов колебаний в объеме резонатора [8]. В результате чего сырье подвергается воздействию ЭМПСВЧ различной интенсивности и нагревается достаточно равномерно [9, 10].
Предложенная СВЧ установка (рис. 1) для отделения пуха от шкурок кроликов в периодическом режиме содержит объемный резонатор 5 в виде усеченного конуса, расположенный вертикально, малым основанием вниз. Внутри резонатора соосно установлена правилка 4, выполненная из фторопластовых ребер жесткости по форме усеченного конуса на диэлектрическом валу 3. Малое основание правилки 4 закрыто. Вал правилки специальным узлом фиксируется на валу электродвигателя 1.
а)
б)
1 - электродвигатель правилки; 2 - патрубок неферромагнитный; 3 - диэлектрический вал правилки; 4 - правилка в виде усеченного
конуса из фторопластовых ребер жесткости; 5 - усеченный конический резонатор; 6 - диссектор; 7 - магнетрон; 8 - крышка резонатора; 9 - запредельный волновод Рисунок 1 - СВЧ установка с усеченным коническим резонатором для отделения пуха от шкурок кроликов в периодическом режиме в фермерских хозяйствах: а) схематическое изображение; б) пространственное изображение
На нижнем основании резонатора имеется патрубок 2 из неферромагнитного материала. На крышке 8 резонатора имеется отверстие для запредельного волновода 9. На боковой поверхности резонатора установлен магнетрон 7. Около излучателя расположен диссектор 6, который приводится в движение от электродвигателя вентилятора, предназначенного для охлаждения магнетрона. С внутренней стороны резонатора, на уровне верхнего основания правилки 4, имеются направляющие ролики.
Технологический процесс происходит следующим образом. Подготовить конические правилки 4, натянуть на них шкурки кроликов, мехом внутрь. Закрыть патрубок 2. Открыть крышку 8 усеченного конического резонатора 5 и установить правилки 4 со шкуркой так, что ее диэлектрический вал 3 фиксировался с валом электродвигателя 1 с помощью специального узла. Закрыть крышку резонатора 5, включить электродвигатель для вращения фторопластовой правилки.
После того, как правилка 4, соприкасаясь направляющих роликов начинает вращаться, заполнить каменной солью через запредельный волновод 9 кольцевой промежуток между мездрой шкурки кролика и внутренней поверхностью резонатора. Каменная соль отличается хрупкостью, гигроскопичностью, хорошо растворяется в воде при любой температуре. Далее включить СВЧ генератор и электродвигатель диссектора 6, после чего излучатель от магнетрона 7 возбуждает ЭМПСВЧ (частота 2450 МГц, длина волны 12,24 см) в коническом резонаторе. Диссектор 6, расположенный вблизи излучателя изменяет структуру электромагнитного поля и соотношения амплитуд различных видов колебаний в объеме резонатора, что обеспечивает равномерное распределение электромагнитного поля. В процессе вращения правилки со шкуркой кролика происходит избирательный диэлектрический нагрев волосяных луковиц, для уменьшения силы удерживаемости пуха в эпидермисе. В то же время, нагретая в ЭМПСВЧ каменная соль, соприкасаясь с мездрой шкурки, ускоряет процесс ее разрыхления, что исключает скукоживание мездры. По истечении продолжительности воздействия ЭМПСВЧ на сырье выключить СВЧ генератор и электродвигатель диссектора 6 и вентилятора. Остановить вращение правилки, выключив электродвигатель 1. При этом пух, отделенный от мездры и находящийся внутри шкурки кролика, следует собрать с помощью пневмонасоса. Далее вытащить из резонатора правилку с кожей кролика. Отработанную каменную соль высыпать через неферромагнитный патрубок 2. После чего технологический процесс можно повторить.
Разработана технологическая линия переработки шкурок кроликов в фермерских хозяйствах. В зависимости от продолжительности времени после забоя кроликов, предложены две технологические линии. В случае продолжительности после забоя кроликов до 2 часов можно использовать рассол или специальную опару для ускорения процесса ослабления силы удерживаемости пуха в мездре при воздействии ЭМПСВЧ. Если продолжительность после съема шкурки кролика более 2 часов, то воздействие ЭМПСВЧ на шкурку следует проводить в процессе разрыхления мездры каменной солью. После сбора пуха со шкур кроликов, кожу рекомендуется переработать, а именно гранулировать.
Заключение.
Ускорение ослабления силы удерживаемости волосяного покрова в эпидермисе шкурок кроликов можно осуществить воздействием ЭМПСВЧ, если мездровую сторону пропитывать гомогенизированной сброженной смесью ржаной муки, воды, дрожжей, горчичного порошка и соли, определенной концентрации, если шкурка парная. В случае длительной отлежки шкурок кроликов, ускорить ослабление пуха от эпидермиса следует используя каменную соль в процессе воздействия ЭМПСВЧ.
Список использованных источников:
1. Шамин Е.А., Белова М.В., Новикова Г.В. Исследование и разработка СВЧ установок для отделения пуха от шкурок кроликов // Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК. Научно-практическая конференция, посвященная памяти академика РАСХН И.Ф. Бородина. М.: ООО «Мегаполис». 2019. С. 47-55.
2. Шамин Е.А., Новикова Г.В., Белова М.В., Михайлова О.В. Обоснование параметров СВЧ установки для отделения пуха от шкурок кроликов в непрерывном режиме // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. Том 81. № 1. 2019. С. 59-65.
3. Орлова О.И., Белова М.В., Жданкин Г.В. Разработка и обоснование параметров СВЧ установки для термообработки отбракованных куриных яиц // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. Том 81. № 1. 2019. С. 53-58.
4. Белов А.А., Жданкин Г.В., Сторчевой В.Ф. Разработка радиоволновых установок для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2016. № 10 (65). С. 7-14.
5. Белов А.А., Жданкин Г.В., Новикова Г.В., Изосимова Т.А. Совершенствование и обоснование параметров сверхвысокочастотной
установки с тороидальным резонатором и с ячеистым ротором для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. 2017. № 3 (70). С. 57-65.
6. Дробахин О.О., Плаксин О.О., Рябчий В.Д., Салтыков Д.Ю. Техника и полупроводниковая электроника СВЧ: Учебное пособие // Севастополь: Вебер. 2013. 322 с.
7. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот // М.: Радио и связь. 1981. 96 с.
8. Пчельников Ю.Н., Елизаров А.А. Перспективы применения электромагнитного нагрева для обработки сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов // Электронная техника. 1993. Вып. 5. С. 47-52.
9. Вендин С.В. К вопросу выбора эффективной частоты для СВЧ обработки технологической среды // Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК. Научно-практическая конференция, посвященная памяти академика РАСХН И.Ф. Бородина. М.: ООО «Мегаполис». 2019. С. 82-89.
10. Новикова Г.В., Осокин В.Л., Тихонов А.А. Рабочие камеры СВЧ установок для термообработки сырья в непрерывном режиме с соблюдением электромагнитной безопасности // Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК. Научно-практическая конференция, посвященная памяти академика РАСХН И.Ф. Бородина. М.: ООО «Мегаполис». 2019. С. 111-119.
Шамин Евгений Анатольевич, Россия, Княгинино, ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», evg.shamin4@gmail.com
Новикова Галина Владимировна, Россия, Княгинино, ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», novikovagalinav@yandex.ru
Белова Марьяна Валентиновна, Россия, Княгинино, ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», maryana_belova_803@mail.ru
Замятина Ирина Михайловна, Россия, Княгинино, ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», irina.zamyatina1999@yandex.ru
INSTALLATIONS EFFECTIVELY FUNCTIONING
WHEN SEPARATING THE DOWN FROM RABBIT SKINS IN ELECTROMAGNETIC FIELD OF ULTRA HIGH FREQUENCY
E.A. Shamin, G.V. Novikova, M.V. Belova, I.M. Zamyatina
SBEI HE "Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University", Cniyginino, Russia
Abstract. The aim of this work is to develop an installation with non-traditional high-Q resonators, providing the effect of an electromagnetic field of ultra-high frequency (EMPHF) in a continuous mode to weaken the retention force of fluff in the skin of rabbit skins at a high electric field strength, which reduces the viability of vegetative microorganisms. The developed microwave installation with a truncated conical resonator for separating fluff from rabbit skins in a periodic mode is described. The installation accelerates the process of separating the fluff from rabbit skins, the retention force of which in the hair follicle is weakened due to the effect of the EMPSVCH uniformly distributed by the dissector in the resonator volume and due to rubbing the surface of the flesh with rock salt. The microwave installation contains a resonator with an out-of-limit waveguide, inside which a fluoroplastic rule is installed coaxially on the shaft. A magnetron is installed closer to the resonator cover and a dissector is located near the emitter. Shown is a technological line for processing rabbit skins, which provides for two ways of collecting fluff from rabbit skins, depending on the duration after removing the skins of rabbits. In the case of a duration of up to 2 hours after slaughtering rabbits, you can use brine or a special dough to accelerate the process of weakening the retention force of the fluff in the flesh when exposed to EMPWS. If the duration after the removal of the rabbit skin is more than 2 hours, then the effect of the EMPHM on the skin should be carried out in the process of loosening the skin with rock salt.
Keywords: rock salt, performance criteria, non-traditional resonators, fluff, rabbit skins.
Shamin Evgeniy Anatolievich, Russia, Knyaginino, SBEI HE "Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University", evg. shamin4@gmail. com
Novikova Galina Vladimirovna, Russia, Knyaginino, SBEI HE "Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University", novikovagalinav@yandex. ru
Belova Mariana Valentinovna, Russia, Knyaginino, SBEI HE "Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University", maryana_belova_803@mail.ru
Zamyatina Irina Mikhailovna, Russia, Knyaginino, SBEI HE "Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University", irina.zamyatinal999@yandex.ru
