Разработка и обоснование параметров многоярусной сверхвысокочастотной установки для термообработки влажного сырья в непрерывном режиме

Категория: Инженерия.

Реферат. Совершенствование микроволновой технологии и конструктивного исполнения установок, обеспечивающих совмещение процессов обезвоживания, измельчения и термообработки непищевых отходов убоя животных, является актуальной задачей. Цель исследования – разработка и обоснование эффективного режима функционирования сверхвысокочастотной установки для термообработки непищевых отходов животного происхождения повышенной влажности в непрерывном режиме, обеспечивающем повышение качества кормового продукта с наименьшими эксплуатационными затратами. Применительно к проблематике использован комплекс существующих базовых методов исследования, позволивших выявить новое конструктивное исполнение рабочих камер СВЧ-установки в виде поярусно расположенных перфорированных цилиндрических резонаторов с вращающимися основаниями. Теория построена на использовании известных положений диэлектрического нагрева СВЧ-диапазона, элементов теории электродинамических систем СВЧ-установок и распространения электромагнитных волн в объемных резонаторах. Для экспериментальных исследований применялись сертифицированные электроизмерительные цифровые приборы и аппаратура, обеспечивающие достаточную точность результатов, стандартная методика оценки воспроизводимости эффективных режимов работы установок, численные методы решения задач при теоретической разработке математических моделей процессов термообработки сырья. В исследованиях пользовались методикой активного планирования трехфакторного эксперимента типа 23 и статистической обработкой результатов исследования с применением компьютерных программ Microsoft Excel 10.0, Statistic 5.0, трехмерного моделирования конструктивного исполнения СВЧ-установок в программе «Компас-3D V15». Описана многоярусная сверхвысокочастотная установка для термообработки влажного непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме. Разработано конструктивное исполнение установки для совмещения процессов обезвоживания, измельчения и термообработки непищевых отходов в одном агрегате.

Ключевые слова: сверхвысокочастотные генераторы, многоярусная установка, перфорированный цилиндрический резонатор, непищевые отходы убоя животных, непрерывный режим работы, цилиндрический экранирующий корпус, измельчитель.

Актуальность

Ежегодно в мясной отрасли России образуются вторичные ресурсы в объеме около 1 млн т, из которых в промышленных условиях перерабатывается около 20%. При переработке птицы, например, общее количество непищевых отходов достигает 
23,7–28,3% от живой массы, в том числе технические отходы составляют 11,9–14,3%. Эти отходы мясной промышленности служат ценным сырьем для получения белковых кормов для животных.

Известны различные варианты переработки отходов для применения на мясоперерабатывающих предприятиях мощностью от 3 до 30 т мяса в смену. Известны вакуумные котлы, где перерабатывают мягкое сырье, кровь. Их конструкция позволяет осуществлять в периодическом режиме варку и стерилизацию [12].

Известен способ переработки отходов убоя птицы, при котором отходы предварительно обезвоживают до влажности 60–65%. Затем сырье загружают в гидролизер, добавляют ферменты, проводят низкотемпературный гидролиз при температуре 45–55 °C в течение 40–50 мин. Далее отходы измельчают, смешивают с отрубями в соотношении 1 : 3 и экструдируют [17]. Итак, для реализации способа переработки собранные непищевые отходы обезвоживают, измельчают, смешивают их с наполнителем, экструдируют. Все эти технологические процессы осуществляют в отдельных установках, поэтому эксплуатационные затраты достаточно высокие.

В современных условиях необходимо внедрять ресурсосберегающие технологии переработки непищевых отходов убоя животных и птиц с учетом производственной мощности мясоперерабатывающих цехов. При выборе той или иной технологии необходимо учитывать особенности морфологического и химического состава данного сырья в зависимости от вида перерабатываемых непищевых отходов животного происхождения, наличия технических средств, возможности использования и реализации получаемой продукции [1–3].

В проектируемых агрегатах следует предусмотреть сочетание процессов обезвоживания, измельчения и термообработки непищевых отходов в одной установке. Такое совмещение процессов в перспективе будет обеспечивать широкое внедрение установки для переработки непищевых отходов животного происхождения, увеличение объема и ассортимента производимой продукции [8, 9, 11, 13].

Материалы и методы

В работе использован комплекс существующих базовых методов исследования, позволивших выявить новое конструктивное исполнение рабочих камер СВЧ-установки в виде поярусно расположенных перфорированных цилиндрических резонаторов с вращающимися основаниями. Теория построена на известных положениях диэлектрического нагрева СВЧ-диапазона, элементах теории электродинамических систем СВЧ-установок и распространения электромагнитных волн в объемных резонаторах [6, 7, 10, 15].

Для экспериментальных исследований применялись сертифицированные электроизмерительные цифровые приборы и аппаратура, обеспечивающие достаточную точность результатов. В исследованиях пользовались методикой активного планирования трехфакторного эксперимента типа 23 и статистической обработкой результатов исследования с применением компьютерных программ Microsoft Excel 10.0, Statistic 5.0, трехмерного моделирования конструктивного исполнения СВЧ-установок в программе «Компас-3D V15» [4, 5].

Результаты и обсуждения

Многоярусная сверхвысокочастотная установка для термообработки влажного сырья животного происхождения в непрерывном режиме приведена на рисунке 1. Установка собрана из отдельных блоков, расположенных поярусно. Каждый блок состоит из цилиндрического экранирующего корпуса, внутри которого соосно расположен цилиндрический перфорированный резонатор, основанием которого служит терочный диск, закрепленный на диэлектрический вал. Нижний блок установлен на монтажный стол 1, круглая поверхность которого является нижним основанием экранирующего корпуса-резонатора 2 нижнего яруса, а верхним его основанием служит терочный диск 8. Одновременно диск 8 является нижним основанием вышерасположенного цилиндрического перфорированного резонатора 6. Диаметр диска 8 больше, чем диаметр резонатора 6, но меньше, чем диаметр цилиндрического экранирующего корпуса 5. Аналогично все элементы расположены в других блоках, собранных поярусно. Верхним основанием перфорированного резонатора 6 является терочный диск 11, диаметр которого больше диаметра перфорированного резонатора 10. Терочные диски 8, 11 установлены на диэлектрический вал 4, который вращается от электродвигателя 16. Вал 4 проложен внутри поярусно расположенных перфорированных цилиндрических резонаторов 2, 6, 10 соосно. С боковых сторон цилиндрических экранирующих корпусов 2, 5, 9 установлены сверхвысокочастотные генераторы 7, 12, 14, излучатели которых направлены внутрь соответствующих перфорированных цилиндрических резонаторов 2, 6, 10, через диэлектрические вставки (рис. 2). Каждая вставка проложена через толщину экранирующего корпуса, зазор между корпусом и резонатором и толщину резонатора. Верхним основанием перфорированного цилиндрического резонатора 10 верхнего яруса служит основание экранирующего корпуса 9, куда установлен измельчитель с нагнетательным шнеком 13 и загрузочной емкостью. Мощность сверхвысокочастотных генераторов и количество поярусно расположенных блоков влияют на производительность установки.

Технологический процесс термообработки влажного сырья животного происхождения в непрерывном режиме происходит следующим образом.

Включают электродвигатель 16 для вращения терочных дисков 3, 8, 11 разного диаметра. После чего запускают электродвигатель измельчителя, который из загрузочной емкости 13 подает измельченное сырье в первый цилиндрический перфорированный резонатор 10, где влага просачивается через отверстия перфорации резонатора в процессе вращения терочного диска 11 за счет центробежной силы. Эта влага просачивается из кольцевого пространства, образованного между экранирующим корпусом 9 и резонатором 10, через периферию терочного диска 11 в резонатор 6.

Одновременно следует включить сверхвысокочастотный генератор 12 первого яруса. Сырье измельчается с помощью терочного диска 11, подвергается воздействию электромагнитного поля (ЭМП) сверхвысокой частоты, частицы сырья нагреваются и проходят через терочный диск 11 в перфорированный цилиндрический резонатор 6 второго яруса, после чего следует включить СВЧ-генератор 7. Здесь температура частиц сырья дополнительно повышается, лишняя влага просачивается через перфорированную боковую поверхность резонатора 6, в резонатор нижерасположенного яруса. Таких ярусов может быть несколько. В резонаторе 2 последнего яруса (экранирующий корпус-резонатор 2) вареные частицы с помощью перемешивающего механизма выгружаются через выгрузной патрубок 15. Такое перераспределение влаги по резонаторам разного яруса выравнивает структуру твердой фракции сырья, что резко увеличивает качество сваренной продукции, то есть ее кормовую ценность.

Разработанная операционно-технологическая схема процесса термообработки влажного непищевого сырья в непрерывном режиме в многоярусной установке с перфорированными цилиндрическими резонаторами приведена на рисунке 3.

Итак, в данной установке собранные отходы предварительно измельчаются с помощью волчка; эндогенно нагреваются в электромагнитном поле сверхвысокой частоты в процессе обезвоживания и дополнительного измельчения за счет вращения терочных дисков; смешиваются с жидкой фракцией, протекающей от вышестоящего резонатора; выгружаются через запредельный волновод в виде влажного, тонко измельченного продукта. Внедрение такой установки позволит уменьшить эксплуатационные затраты и повысить качество конечного продукта.

Проведены экспериментальные исследования динамики эндогенного нагрева печени и почек при разных удельных мощностях СВЧ-генератора (рис. 4).

Эмпирические выражения, описывающие зависимость температуры от продолжительности воздействия ЭМП СВЧ при разных удельных мощностях:

8 Вт/г: T = 54,488ln(τ) + 19,641;

5 Вт/г: T = 37,847ln(τ) + 19,907; (1)

2 Вт/г: T = 24,734ln(τ) + 15,877.

Выводы

Разработана многоярусная сверхвысокочастотная установка для термообработки влажного непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме. Установка содержит поярусно расположенные цилиндрические экранирующие корпусы, внутри которых соосно установлены цилиндрические перфорированные резонаторы с разными диаметрами, основания которых выполнены в виде терочных дисков, закрепленных на вертикально расположенный вал, вращающийся от электродвигателя. Круглая поверхность монтажного стола служит нижним основанием цилиндрического резонатора нижнего яруса, где расположен перемешивающий механизм, закрепленный на валу. Нижними основаниями резонаторов являются терочные диски, диаметры которых больше диаметров резонаторов соответствующих вышерасположенных ярусов. С боковой поверхности каждого экранирующего корпуса установлены СВЧ-генераторы, излучатели которых направлены в перфорированные цилиндрические резонаторы через диэлектрические вставки. На верхнем основании цилиндрического экранирующего корпуса первого яруса установлен измельчающий механизм с нагнетательным шнеком и загрузочной емкостью.

Достигнуто совмещение технологических процессов измельчения, обезвоживания и термообработки, реализованное в многоярусной СВЧ-установке с перфорированными цилиндрическими резонаторами, где нижнее перфорированное основание вращается и обеспечивает центрифугирование сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белова М. В., Зиганшин Б. Г. Повышение эффективности функционирования многомодульных агрегатов для агроинженерных технологий // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2013. – № 3(29). – С. 49–52.
2. Белова М. В., Зиганшин Б. Г., Уездный Н. Т. Установка для термообработки крови с.-х. животных // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2013. – № 3(29). – С. 53–56.
3. Белова М. В., Уездный Н. Т. Использование СВЧ-техники для термообработки крови убойных животных // Известия Оренбургского ГАУ. – 2014. – № 1(45). – С. 56–58.
4. Белова М. В., Зиганшин Б. Г., Новикова Г. В. Методика обоснования параметров установки для термообработки сырья убойных животных // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2014. – № 2. – С. 58–62.
5. Белова М. В. Конструктивные особенности резонаторов сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья в поточном режиме // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2015. – № 4(38). – С. 31–37.
6. Белова М. В., Зиганшин Б. Г., Федорова А. Н., Поручиков Д. В. Объемные резонаторы СВЧ-генератора для термообработки сырья в поточном режиме // Естественные и технические науки. – 2015. – № 1. – С. 121–123.
7. Белова М. В., Селиванов И. М., Махоткина Н. И. Блок-схема модернизации СВЧ-установки для термообработки сырья // Естественные и технические науки. – 2015. – № 2. – С. 127–128.
8. Белов А. А., Жданкин Г. В., Сторчевой В. Ф. Разработка радио-волновых установок для термообработки сырья // Вестник НГИЭИ. – 2016. – № 10(65). – С. 16–24.
9. Жданкин Г. В., Сторчевой В. Ф. Разработка сверхвысокочастотной установки для термообработки непищевых отходов убоя и переработки птицы // Научная жизнь. – 2016. – № 9. – С. 24–26.
10. Электродинамический анализ резонаторов, используемых в сверхвысокочастотных установках / Б. Г. Зиганшин, М. В. Белова, Г. В. Новикова, А. Н. Матвеева, О. И. Петрова // Естественные и технические науки. – 2015. – № 6. – С. 477–480.
11. Зиганшин Б. Г., Белова М. В., Уездный Н. Т. Термообработка крови убойных животных // Естественные и технические науки. – 2015. – № 1. – С. 125–127.
12. Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Ч. 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. – М. : Колос, 2001. – С. 330.
13. Установка для вытопки жира / Г. В. Новикова, И. М. Селиванов, М. В. Белова, И. Г. Ершова, А. Б. Оспанов // Естественные и технические науки. – 2015. – № 6. – С. 485–487.
14. Пат. 2541694 Рос. Федерация, МПК С11В1/12. Установка для термообработки жиросодержащего сырья / И. Г. Ершова, М. Г. Сорокина, М. В. Белова, Г. В. Новикова ; заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). – № 2013145358 ; заявл. 09.10.2013. – Бюл. № 5. – 6 с.
15. Пчельников Ю. Н., Свиридов В. Т. Электроника сверхвысоких частот. – М. : Радио и связь, 1981. – 96 с.
16. Многорезонаторная установка для плавления жира / А. Г. Само-делкин, Г. В. Новикова, М. В. Бе-лова, И. Г. Ершова, А. А. Белов // Естественные и технические науки. – 2015. – № 6. – С. 492–494.
17. Переработка птицы [Элек-тронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/244/2448471.html.

Метки: Инженерия

• Назад
• Вперед