Введение. Целью настоящей работы является повышение эффективности размораживания коровьего молозива путем разработки технологии и установки с биконическим резонатором, обеспечивающим воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты на замороженное сырье в непрерывном режиме, сохраняя электромагнитную безопасность.
Материалы и методы. Контроль температуры сырья в процессе воздействия ЭМПСВЧ проводили пирометром Testo 925, а исследование распределения теплового потока по поверхности сырья – тепловизором FLIRi335. Сырьем является замороженное измельченное коровье молозиво.
Результаты и обсуждение. СВЧ установка (рис. 1) содержит в цилиндрической емкости 9 вертикально расположенный биконический резонатор 3, вершины которого усечены [4,5]. Вблизи вершин биконуса образуются поверхности, где наблюдается полное отражение волн, поэтому излучение из усеченных открытых концов отсутствует. В центре резонатора расположен диск диэлектрический перфорированный 5 в зубчатом венце 6. Нижняя усеченная вершина резонатора состыкована с запредельным волноводом 11, содержащим кран для слива продукта 12. По периметру оснований конусов со сдвигом на 120 градусов установлены магнетроны 4 от СВЧ генераторов. Верхняя усеченная вершина резонатора состыкована с емкостью 1 для приема замороженного сырья, внутри которой расположены оребренные вальцы 2 с возможностью регулирования зазора между ними.
Рисунок 1 – СВЧ установка с биконическим резонатором для размораживания коровьего молозива в непрерывном режиме: а – схематическое изображение; б – лабораторный образец; 1 – емкость для замороженного сырья, 2 – вальцы оребренные, 3 – биконический резонатор, 4 – магнетроны от СВЧ генераторов, 5 – диск диэлектрический перфорированный, 6 – зубчатый венец, 7 – ведущая звездочка, 8 – электропривод, 9 – цилиндрическая емкость, 10 – трубчатый электронагреватель, 11 – запредельный волновод, 12 – кран для слива размороженного коровьего молозива
Равномерный нагрев сырья в биконическом резонаторе достигается за счет подачи измельченного замороженного сырья, и использования вращающегося перфорированного диска. Так как вершины биконического резонатора отсечены на уровне диаметра, не превышающего четверти длины волны, поэтому при непрерывном режиме работы СВЧ установки электромагнитная безопасность для обслуживающего персонала соблюдается [1,3].
На основе критериальных уравнений получены регрессионные зависимости, позволяющие оценить влияние технологических параметров на производительность и энергетические затраты. Для этого воспользовались матрицей планирования 3-х факторного активного эксперимента типа 23 [2]. В качестве основных факторов, влияющих на процесс, были выбраны:
х1 – удельная мощность СВЧ генератора ( Руд, Вт/г);
х2 – продолжительность воздействия ЭМПСВЧ в резонаторе (τ, ч);
х3 – мощность СВЧ генераторов (Р, Вт)
Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями и конструкционными параметрами СВЧ установки.
Таблица 1 – Уровни варьируемых факторов
|
Факторы
|
Кодовое значение
|
Интервал
варьирования
|
Уровни факторов
|
||
|
Основной
уровень
|
Верхний
уровень
|
Нижний
уровень
|
|||
|
Удельная мощность генератора, Вт/г
|
х1
|
0,4
|
0,8
|
1,2
|
0,4
|
|
Продолжительность обработки, ч мин
|
х2
|
0,016
|
0,2
12
|
0,3
18
|
0,1
6
|
|
Мощность генераторов, Вт.
|
х3
|
0,8
|
2,4
|
3,2
|
1,6
|
Таблица 2 – Матрица активного планирования эксперимента типа 23 по
оптимизации режимов термообработки сырья в СВЧ установке
|
№
|
Варьируемые параметры
|
|||||||||||
|
Масса загрузки
в резонатор, кг
|
Удельная мощность генератора, Вт/г
|
Продолжительность обработки, τ, мин/ч
|
Мощность СВЧ генераторов, кВт.
(количество генераторов, шт.)
|
|||||||||
|
|
G
|
Х1
|
Pуд
|
Х2
|
мин
|
ч
|
Х3
|
n, шт.
|
Рген
|
Рдис.
|
Рген+Рдис
|
Робщ
|
|
1
|
2,67
|
+
|
1,2
|
+
|
18
|
0,3
|
+
|
4
|
3,2
|
0,15
|
3,35
|
3,53
|
|
2
|
1,33
|
+
|
1,2
|
—
|
6
|
0,1
|
—
|
2
|
1,6
|
0,05
|
1,65
|
1,83
|
|
3
|
4
|
—
|
0,4
|
+
|
18
|
0,3
|
—
|
2
|
1,6
|
0,18
|
1,78
|
1,96
|
|
4
|
8
|
—
|
0,4
|
—
|
6
|
0,1
|
+
|
4
|
3,2
|
0,25
|
3,45
|
3,63
|
|
5
|
3
|
0
|
0,8
|
0
|
12
|
0,2
|
0
|
3
|
2,4
|
0,16
|
2,56
|
2,74
|
|
6
|
6
|
—
|
0,4
|
0
|
12
|
0,2
|
0
|
3
|
2,4
|
0,20
|
2,6
|
2,78
|
|
7
|
2
|
+
|
1,2
|
0
|
12
|
0,2
|
0
|
3
|
2,4
|
0,1
|
2,5
|
2,68
|
|
8
|
3
|
0
|
0,8
|
—
|
6
|
0,1
|
0
|
3
|
2,4
|
0,16
|
2,56
|
2,74
|
|
9
|
3
|
0
|
0,8
|
+
|
18
|
0,3
|
0
|
3
|
2,4
|
0,16
|
2,56
|
2,74
|
|
10
|
2
|
0
|
0,8
|
0
|
12
|
0,2
|
—
|
2
|
1,6
|
0,1
|
1,7
|
1,88
|
|
11
|
4
|
0
|
0,8
|
0
|
12
|
0,2
|
+
|
4
|
3,2
|
0,18
|
3,38
|
3,56
|
Примечание. Мощность электродвигателя вентилятора 0,18 Вт.
Критериями оптимизации режимных параметров установки являются:
Y1 – температура сырья (Т, оС);
Y2 – производительность СВЧ установки (Q, кг/ч);
Y3 – энергетические затраты на технологический процесс размораживания и нагрева коровьего молозива, (W, кВт·ч/кг);
Y5 – микробиологическая обсемененность молозиво, (ОМЧ, КОЕ/г).
Варьируемые факторы были совместимы и не коррелированы между собой, а пределы их изменения принимались равными:
(х1) 0,4 ≤ Руд≤ 1,2 Вт/г; (х2) 0,1 ≤ τ ≤ 0,3 ч; (х3) 1,6≤ Р ≤ 3,2 Вт.
Таблица 3 – Критерии оптимизации технологического процесса
размораживания коровьего молозива
|
№
|
Производительность установки, кг/ч (Q)
|
Энергетические
затраты, кВт·ч/кг
|
Температура
молозиво, оС
|
ОМЧ, КОЕ/г
|
|
Y1
|
Y2
|
Y2
|
Y2
|
|
|
1
|
8,9
|
0,397
|
120
|
50000
|
|
2
|
13,3
|
0,137
|
42
|
610000
|
|
3
|
13,3
|
0,147
|
54
|
600000
|
|
4
|
80
|
0,045
|
12
|
700000
|
|
5
|
15
|
0,183
|
52
|
540000
|
|
6
|
30
|
0,093
|
28
|
660000
|
|
7
|
10
|
0,268
|
75
|
450000
|
|
8
|
30
|
0,0913
|
25
|
670000
|
|
9
|
10
|
0,274
|
86
|
400000
|
|
10
|
10
|
0,188
|
52
|
580000
|
|
11
|
20
|
0,178
|
52
|
500000
|
Рисунок 2 – Двумерные сечения в изолиниях и поверхности откликов трехфакторных моделей температуры нагрева коровьего молозива, производительности СВЧ установки, энергетических затрат на технологический процесс размораживания и нагрева сырья
Ниже приведены двумерные сечения в изолиниях и поверхности откликов трехфакторных моделей температуры нагрева коровье молозиво, производительности СВЧ установки, энергетических затрат на технологический процесс размораживания и нагрева коровьего молозива (рис. 2). Регрессионные модели, описывающие взаимосвязь варьируемых факторов с критериями оценки технологического процесса размораживания коровьего молозива.
Эффективные режимы размораживания коровьего молозива в ЭМПСВЧ, следующие: удельная мощность СВЧ генератора 0,8 Вт/г; продолжительность воздействия ЭМПСВЧ в резонаторе 6-8 мин; мощность СВЧ генераторов 2,4 кВт. При этом производительность установки составляет 18-22 кг/ч, энергетические затраты – 0,17-0,175 кВт∙ч/кг, температура нагрева 36-38оС.
Выводы. Такое конструкционное исполнение резонатора обеспечивает электромагнитную безопасность при непрерывном технологическом процессе размораживания коровьего молозива. Процесс размораживания ускоряется за счет подачи в резонатор измельченного сырья, размеры которого соизмеримы с глубиной проникновения волн. Регулируя частоту вращения диска и площадь живого сечения перфорации, удельную мощность генератора можно размораживать сырье с – 10 оС, и поддерживать температуру +(35-38)оС. Исполнение резонатора в виде биконуса создают условия обеспечения электромагнитной безопасности без использования экранирующих корпусов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- Взятышев, В.Ф. Объемные СВЧ резонаторы: принципы, конструкции и свойства, перспективы и проблемы / В.Ф. Взятышев, М.Е. Ильченко // Межведомственный сборник. – М.: МЭИ, 1983, № 19. – С. 5–
- Зубарев, Ю.М. Применение методов теории планирования многофакторных экспериментов в технологии машиностроения СПб: ОП ПИМаш., 2000.- 130 с.
- Стрекалов, А.В. Электромагнитные поля и волны / А.В. Стрекалов, Ю.А. Стрекалов. – М.: РИОР: ИНФРА-М, 2014. – 375 с.
- Новикова, Г.В. СВЧ установка с биконическим резонатором для размораживания коровьего молозива в непрерывном режиме / Г.В. Новикова, Д.А Тараканов, О.В. Михайлова // Материалы конференции «Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК». – М.: РГАУ-МСХА, 2019. – С. 171 – 178.
- Тихонов, А.А. Рабочие камеры СВЧ установок для термообработки сырья в непрерывном режиме с соблюдением электромагнитной безопасности / А.А. Тихонов, Г.В. Новикова, В.Л. Осокин // Материалы конференции «Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК». (90 лет И.Ф. Бородина). – М.: РГАУ-МСХА, 2019. – С. 111-119.
BIBLIOGRAPHIC LIST
- Vzyatyshev, V.F. Volumetric microwave resonators: principles, designs and properties, prospects and problems / V. F. Vzyatyshev, M. E. Ilchenko / / Interdepartmental collection. — Moscow: MEI, 1983, No. 19. — Pp. 5-19.
- Zubarev, Yu.M. Application of methods of planning theory of multifactor experiments in engineering technology St. Petersburg: OP Pimash., 2000.- 130 p.
- Strekalov, A.V. Electromagnetic fields and waves. — Moscow: RIOR: INFRA-M, 2014. – 375 PP.
- Novikova, G.V. microwave installation with a biconic resonator for defrosting cow colostrum in continuous mode / G.V. Novikova, D.A. Tarakanov, O. . Mikhailova // Proceedings of the conference «Advanced achievements in the application of automation, robotics and electrical technologies in agriculture». (90 years of I. F. Borodin). – M.: Russian state agrarian University-MTAA, 2019. — Pp. 171-178.
- Tikhonov, A.A. Working chambers of microwave installations for heat treatment of raw materials in a continuous mode with observance of electromagnetic safety / A.A. Tikhonov, G.V. Novikova, V.L. Osokin / / Proceedings of the conference «Advanced achievements in application of automation, robotization and electrotechnologies in agroindustrial complex». (90 years of I. F. Borodin). – M.: Russian state agrarian University-MTAA, 2019. Pp. 111-119.
