CC BY
25
УДК 631.22
УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА
THE APPLIANCE MICROWAVE FREQUENCY DECONTAMINATION OF MILK
А. Н. Пономарев, Г. В. Новикова A. N. Fonomarev, G. V. Novikova
ФГОУВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»,
г. Чебоксары
Аннотация. С целью увеличения напряженности электрического поля рабочие камеры сверхвысокочастотной (СВЧ) установки для обеззараживания молока выполнены в виде цилиндрических резонаторов малого объема, содержащих внутри гибкий диэлектрический моло-копровод. Высокая напряженность электрического поля позволяет добиться равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи энергией, что вызывает сильный нагрев микроорганизмов. Благодаря циклическому воздействию электромагнитного поля высокой напряженности СВЧ-диапазона происходит подавление жизнедеятельности микроорганизмов, т. е. обеззараживание молока.
Abstract. Working chambers of microwave frequency appliance for decontamination of milk made in the form of cylindrical resonators of small volume, containing inside flexible dielectric milk pipe line to increase the intensity of electric field. High tension of the electric field allows to achieve equality between absorbed and given at the expense of energy heat transfer that causes strong heating of microorganisms. Owing to the cyclic influence the electromagnetic field of microwave frequency high tension suppression of vital functions of microorganisms, i. e. milk disinfecting, takes place.
Ключевые слова: электромагнитное поле сверхвысокой частоты, резонатор, обеззараживание молока.
Keywords: an electromagnetic field of microwave frequency, resonator, decontamination of milk.
Актуальность исследуемой проблемы. В 2010 г. объем производства молока в хозяйствах Российской Федерации составил 11173,5 тыс. тонн, а в Чувашской Республике - 494,9 тыс. тонн. Причем из них 4...6 % содержит общее микробное число выше 1 млн КОЕ/г, когда использование традиционной технологии пастеризации молока в пластинчатых теплообменниках без дополнительного воздействия физических факторов становится неэффективным. В связи с этим актуальной научной задачей является разработка установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока, позволяющей снизить потери продукции и энергетические затраты непосредственно в процессе его пастеризации в фермерских хозяйствах [2].
Научную новизну работы представляют:
1. Алгоритм расчета с программным решением и аналитические зависимости для обоснования и реализации эффективных режимов установки с резонаторными камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ-диапазона, позволяющую обеззараживать молоко в процессе циклического воздействия при сниженных энергетических затратах;
2. Разработанная, изготовленная и испытанная в производственных условиях установка для СВЧ-обеззараживания молока, рабочие режимы и комплекс ее конструктивно-технологических параметров.
Материал и методика исследований. Методика согласования конструктивнотехнологических параметров установки для СВЧ-обеззараживания молока следующая:
1. Вычисляем коэффициент затухания и глубину проникновения электромагнитного излучения (ЭМИ), зная диэлектрические параметры молока и длину волны, позволяющую определить внутренний радиус диэлектрического молокопровода и вычислить объем нагреваемого образца в резонаторе.
2. Определяем объемную плотность мощности потерь СВЧ-энергии в образце-молоке при разной напряженности электрического поля.
3. Оцениваем потери энергии за счет теплопередачи с поверхности образца молока и теплового излучения.
4. Вычисляем мощность, поглощаемую микроорганизмом при разных напряженностях электрического поля (с учетом размера микроорганизма, представляющего собой куб, размер стороны которого равен 1,56 х10-4 см).
5. Вычисляем мощность, теряемую микроорганизмом за счет теплопередачи молекулам воздуха при определенном превышении температуры нагрева.
6. Вычисляем напряженность электрического поля, при которой происходит выравнивание мощности, поглощенной микроорганизмом и теряемой за счет теплопередачи с его поверхности. Для надежной работы СВЧ-установки напряженность электрического поля должна быть меньше половины пробивной напряженности воздуха, т. е. меньше 15 кВ/см. С целью обеспечения такой напряженности электрического поля следует проектировать резонатор с определенной добротностью и малым объемом.
7. Вычисляем объем резонатора при известной его добротности и высокой напряженности электрического поля. Г еометрические размеры проектируемого цилиндрического резонатора следует согласовать с длиной волны, т. е. длина цилиндра должна быть равной кратности четверть длины волны. С другой стороны, объем резонатора является критерием для размещения в нем определенной длины диэлектрического молокопровода.
8. Проектируем двухмодульную СВЧ-установку из четырех генераторов с резонаторами малой емкости, в каждом из которых молоко нагревается на 4 °С, при напряженности электрического поля 14,76 кВ/см. При этом удельная мощность генератора составляет 8 Вт/г, потребляемая мощность установки - 4,8 кВт. С учетом продолжительности перекачивания молока с одного модуля на другой вычисляем реальную производительность СВЧ-установки.
Выбираем генератор, имеющий высокий коэффициент полезного действия (0,7...0,9), высокую выходную мощность в непрерывном режиме (0,8 кВт), простую и надежную конструкцию, большой срок службы (2.5 тыс. ч.) и эффективно работающий при переменной нагрузке.
Используя формулу, представленную В. Ф. Соколовым [1], оцениваем влияние превышения температуры эндогенного нагрева на степень снижения общего микробного числа (ОМЧ) в молоке с учетом производительности установки, объема загрузки резонатора и скорости нагрева продукта с определенными физико-механическими (плотностью, теплоемкостью) и электрическими (диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь) параметрами молока для снижения в нем ОМЧ до допустимого уровня.
Результаты исследований и их обсуждение. Проектируемая электродинамическая система СВЧ-установки, т. е. рабочая камера, в которой происходит воздействие ЭМП на молоко, является резонаторной. В качестве объемного резонатора мы использовали замкнутый с обоих концов волновод с круглым поперечным сечением, длиной, равной целому числу полуволн. Основные задачи при расчете и конструировании рабочих камер состоят в согласовании рабочей полосы частот резонатора и генератора и равномерном нагреве молока. Объем камер должен быть достаточно большим для обработки значительного количества молока и полного использования мощности СВЧ-генератора. Исследования показывают, что если резонатор максимально заполнить молоком, имеющим высокое значение диэлектрической проницаемости (64.60) и тангенса угла диэлектрических потерь (0,22.0,16), то резко падает нагруженная добротность резонатора и легче согласовать ввод энергии, обеспечивающей полную передачу СВЧ-энергии от генератора в объем молока. Для материала круглого поперечного сечения (молоко в диэлектрическом молокопроводе), где диаметр поперечного сечения (0,8...1,0 см) соизмерим с рабочей длиной волны (более 0,1-А, = 1,224 см), особенно когда диэлектрическая проницаемость молока велика, нагрев по сечению может быть неравномерным. Поэтому рекомендуется располагать молокопровод спирально вдоль боковой поверхности резонатора.
Для обеспечения высокой напряженности электрического поля объем резонатора должен составлять 2000 см3. Увеличивая качество и уменьшая емкость резонатора, можно повысить напряженность электрического поля СВЧ-диапазона до 4.14 кВ/см. Для обеззараживания молока при эффективной удельной мощности 6.10 Вт/г внутренний объем гибкого диэлектрического молокопровода в резонаторе должен быть не менее 100 см3, а внутренний радиус меньше глубины затухания ЭМИ в 2,73 раза. Толщина стенок молокопровода должна обеспечивать необходимую электрическую прочность. Чем длиннее молокопровод в резонаторе при сохранении объема молока, тем легче регулируется продолжительность воздействия ЭМП СВЧ изменением мощности перекачивающего насоса.
Техническая новизна конструктивного исполнения установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока состоит в том, что с целью увеличения напряженности электрического поля рабочие камеры выполнены в виде цилиндрических резонаторов малого объема, содержащих внутри гибкий диэлектрический молокопровод. Цилиндрические резонаторные камеры расположены под общим экранным корпусом, образуя отдельные модули. Причем молокопроводы, соединенные между собой за пределами модулей, образуют замкнутый круг через центробежный насос и резервуар.
Обеззараживание молока осуществляли следующим образом. СВЧ-установку с производительностью 100...240 кг/ч согласовали с производительностью технологической линии пастеризационно-охладительной установки через дополнительный резервуар-накопитель. Молоко с температурой 70...75 оС после секции пастеризации пластинчатого теплообменного аппарата заливали в резервуар-накопитель, откуда с помощью насоса перекачивали по молокопроводу через четыре резонаторные камеры (рис. 1). При этом превышение температуры в молоке составило 16 оС, что позволило снизить общее микробное число в нем до двух раз. Полезная мощность СВЧ-установки составляет 3200 Вт, напряженность электрического поля внутри резонатора - 14 кВ/см.
Рис. 1. Установка для сверхвысокочастотного обеззараживания молока в линии пластинчатого теплообменного аппарата в процессе производственного испытания в ФГУП УОХ «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики
Резюме. Разработанная нами методика обеззараживания молока в линии, содержащей пастеризационно-охладительный аппарат и двухмодульную СВЧ-установку с четырьмя резонаторными камерами, обеспечивает высокую напряженность электрического поля для губительного нагрева микроорганизмов.
Обоснован комплекс конструктивно-технологических параметров на основе разработанного алгоритма с программным решением и аналитических зависимостей, позволяющий в СВЧ-установке, состоящей из двух модулей в соответствующем экранном корпусе, реализовать эффективный режим обеззараживания молока со снижением энергетических затрат.
Выявлено, что дополнительные цилиндрические резонаторы, установленные в каждом модуле, содержащем по два источника энергии, обеспечивают напряженность электрического поля 4.14 кВ/см при объеме 2 л и глубине, равной длине волны 12,24 см.
При перекачивании молока с помощью циркуляционного насоса мощностью 30.65 Вт через диэлектрический молокопровод внутренним диаметром 0,8. 1,0 см, длиной 10 м, уложенный в четыре объемных резонатора, происходит его эндогенный нагрев со скоростью 1.1,2 оС/с.
Установлено, что при циклическом воздействии электромагнитного поля с частотой 2450 МГц и напряженностью 2.14 кВ/см, полезной мощностью источников энергии 3,2 кВт, обеспечивающих производительность установки 100.240 кг/ч, происходит снижение общего микробного числа в молоке в 1,76.2 раза, если повышение температуры эндогенного нагрева молока произойдет с 75 до 91 оС после секции пастеризации или с 45 до 61 оС - между двумя секциями рекуперации теплообменника.
В результате испытания в производственных условиях разработанного и изготовленного опытного образца СВЧ-установки с потребляемой мощностью 4,835 кВт выявлено сокращение удельных энергетических затрат на обеззараживание молока с 0,121 до 0,048 кВт-ч/кг.
Экономический эффект от применения СВЧ-установки для обеззараживания молока в линии пастеризационно-охладительной установки составляет 42275 руб./год, что рентабельно при объеме выпускаемой продукции свыше 9800 кг/месяц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рубцов, П. А. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. / П. А. Рубцов, П. А. Осетров, С. П. Бондаренко. - М. : Колос, 1971. - 524 с.
2. Пат. 2161505 Российская Федерация. Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ-излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа [Текст] / Корчагин Ю. В. ; заявитель и патентообладатель Корчагин Ю. В. - № 99114320/13 ; заявл. 06.07.1999 ; опубл. 10.01.2001. - 13 с.
