Бесплатная публикация статей в журналах ВАК и РИНЦ

Уважаемые авторы, образовательный интернет-портал «INFOBRAZ.RU» в рамках Всероссийской Образовательной Программы проводит прием статей для публикации в журналах из перечня ВАК РФ по направлениям: экономика, философия, политология, педагогика, филология, биология, сельское хозяйство, агроинженерия, транспорт, строительство и архитектура и др.

Возможна бесплатная публикация статей в специализированных журналах по многим отраслям и специальностям. В мультидисциплинарных журналах возможна публикация по всем другим направлениям. 

Журналы реферируются ВИНИТИ РАН. Статьям присваивается индекс DOI. Журналы включены в международную базу Ulrich's Periodicals Directory и РИНЦ.

Подпишитесь на уведомления о доступности опубликования статьи. Первую рекомендацию вы получите в течении 10 минут - ПОДПИСАТЬСЯ

  • Библиотека
  • Инженерия
  • РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОВОЛНОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СЫРЬЯ В ПРОЦЕССЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОВОЛНОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СЫРЬЯ В ПРОЦЕССЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Реферат. В статье представлено описание технологии и установки для термообработки непищевого сырья животного происхождения воздействием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты в непрерывном режиме. Рассмотрены особенности диэлектрического нагрева многокомпонентного сырья в процессе измельчения в резонаторной камере. Рассмотрены аналоги сверхвысокочастотных установок. Проведено обоснование мощности электродвигателя для вибрации установки. Конструктивное исполнение узлов микроволновой установки для термообработки непищевого сырья животного происхождения в процессе измельчения осуществлялось с помощью прикладных компьютерных программ КОМПАС-3D V13. Обоснование конструкционно-технологических параметров микроволновой установки и режимов ее работы проводилось на основе математических моделей, описывающих рабочие процессы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сырье в перфорированном цилиндрическом резонаторе, выполненном в виде терки для одновременного измельчения сырья в непрерывном режиме. Разработаны технология и техническое средство для термообработки многокомпонентного сырья в непрерывном режиме с использованием маломощных сверхвысокочастотных генераторов, с воздушным охлаждением магнетронов. Предлагаемая установка позволяет улучшить энергетическую ценность и санитарное состояние продукта. Структура продукта становится рыхлой из-за высокого давления внутри частиц, при этом происходит полное уничтожение бактериальной микрофлоры.

Ключевые слова: цилиндрический экранирующий корпус, выгрузной патрубок, пневмотранспортер, циклон-разгрузитель, неферромагнитный цилиндрический резонатор в виде терки, ротор, диск, СВЧ генераторы, патрубок для приема сырья.

Сегодня особое значение приобретает внедрение прогрессивных технологических процессов переработки сельскохозяйственной продукции и более совершенных технологических средств. Разработанная установка предназначена для получения высококачественной продукции в результате воздействия электро-­магнитного поля сверхвысокой частоты в процессе измельчения непищевого сырья животного происхождения. Основной задачей является обеспечение качественной продукцией и организация производства принципиально новых видов продуктов для животных, а также создание и внедрение современного высокоэффективного технологического оборудования, которые на основе использования прогрессивной микроволновой технологии повышают производительность и способствуют экономии сырья и материальных ресурсов [5, 6, 15, 16].

Известно, что технология производства белкового корма представляет собой совокупность операций, позволяющих получить из различного исходного сырья животного происхождения, отличающегося друг от друга по физико-механическим и диэлектрическим свойствам, продукт для кормления животных и птиц с заданными параметрами в зависимости от рецептуры по химическому составу. Основное условие к технологии – это получение продукции высокого качества при соблюдении всех этапов технологических процессов, осуществляемых системой взаимосвязанных машин и механизмов [1, 2, 7, 8, 10].

Известна центробежная установка для термообработки жиросодержащего сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты [12]. Установка содержит экранирующий цилиндрический корпус, перфорированный диск-ротор, приемный патрубок, СВЧ-генераторные блоки, стационарные и передвижные перфорированные полусферы, выпускной патрубок. В установке реализованы передвижные перфорированные сферические резонаторы в кольцевом волноводе прямоугольного сечения.

Известна установка для выделения расплавленного жира из жиросодержащего сырья [13]. Установка содержит множество генераторов с одним коаксиальным резонатором и конусный ограничитель излучения. Поточность процесса обеспечивается за счет перфорированного барабана с ротором и шнека. Измельченную жиросодержащую кость непрерывно загружают в цилиндрический перфорированный барабан-резонатор через кольцевой зазор. За счет центробежной силы расплавленный жир и частицы шквары определенного размера выдавливаются через перфорацию в барабане и отбрасываются на перфорированные стенки ротора. Вытопленный жир через перфорацию ротора стекает к патрубку и отводится. Шквара, прижатая к перфорированной поверхности ротора, перемещается вверх витками шнека и сбрасывается в карман. Генераторные блоки расположены над кольцевым пространством со сдвигом на 120 ° для обеспечения надежной их работы в один коаксиальный резонатор.

Целью настоящей работы является разработка установки с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, обеспечивающей интенсификацию процесса термообработки и обеззараживания непищевого сырья животного происхождения в процессе измельчения.

Материалы и методы

Конструктивное исполнение узлов микроволновой установки для термообработки непищевого сырья животного происхождения в процессе измельчения осуществлялось с помощью прикладных компьютерных программ КОМПАС-3D V13. Обоснование конструкционно-технологических параметров микроволновой установки и режимов ее работы проводится на основе математических моделей, описывающих рабочие процессы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сырье в перфорированном цилиндрическом резонаторе, выполненном в виде терки, для одновременного измельчения сырья в непрерывном режиме [11, 18].

Результаты и обсуждение

В настоящее время в пищевой промышленности уделяют большое внимание электрофизическим методам воздействия на исходное сырье, которые способны интенсифицировать теплообменные процессы, обеспечить микробиологическую безопасность, а также улучшить и повысить пищевую ценность продукта [3, 4, 19, 20]. Поэтому разработанытехнология и техническое средство для термообработки многокомпонентного сырья в непрерывном режиме с использованием маломощных сверхвысокочастотных генераторов с воздушным охлаждением магнетронов.

Известны конвейерные СВЧ- печи фирмы LHT, которые основываются на принципе многих небольших магнетронов и цилиндровой микроволновой камеры. Благодаря распределению большого количества магнетронов на стенках камер обеспечивается равномерная подача энергии многими маленькими СВЧ-мощностями. В результате этого получается однородное распределение СВЧ. Этот эффект поддерживается за счет закругления камеры, которое равномерно отражает падающие СВЧ в камере объема.

Известна вращающаяся трубчатая СВЧ-сушилка серии MDRT [патент DE 198 28 843]. Материал подается во вращающуюся трубу из кварцевого стекла и нагревается за счет сверхвысокой частоты. Вращающуюся трубчатую СВЧ установку можно использовать для термообработки порошка и волокон.

Установка (рис. 1) представляет собой цилиндрический экранирующий корпус 2, внутри которого соосно расположен неферромагнитный цилиндр 4, выполненный в виде терки. Этот неферромагнитный цилиндр 4 жестко установлен на диск 6, образуя ротор. Через центральное отверстие диска 6 проходит нижний конец вала 5 квадратного сечения. Вал мотора-редуктора соединен с валом 5, расположенным по центральной оси неферромагнитного цилиндра 4. Вал 5 вращается на подшипниках во втулке, жестко закрепленной на крышке цилиндрического экранирующего корпуса 2. Диск 6 с терочным неферромагнитным цилиндром 4 (ротор) вращается с помощью электродвигателя, установленного на монтажную стойку 1. Вращение вала 5, следовательно, и роторов 4, 6 передается от электродвигателя через редуктор и скользящую шпонку, расположенную во втулке. Втулка жестко крепится на валу посредством резьбы. Скорость вращения диска 6 изменяется сменой шкивов на валу электродвигателя и редуктора. Цилиндрический экранирующий корпус 2 закреплен к амортизационным пружинам. На крышку экранирующего корпуса 2 установлены сверхвысокочастотные генераторы 7 и приемный патрубок 8. Излучатели от СВЧ-генераторов направлены в цилиндрический резонатор, исполненный в виде терки и выполняющий функцию коаксиального резонатора из-за имеющего по центру вала 7. Патрубок 3 для присоединения пневмотранспора с циклоном-разгрузителем расположен на боковой поверхности экранирующего корпуса 1. Под нижним основанием экранирующего корпуса 2 по центру установлен шатунный механизм, связанный через рычаг с кулачковым механизмом, который приводится в движение от электродвигателя. Амортизационные пружины, удерживающие цилиндрический экранирующий корпус 2, закреплены к монтажным стойкам 1.

Операционно-технологическая схема предусматривает следующие операции: дозированная подача компонентов сырья в рабочую камеру, содержащую измельчающий механизм в виде терочного цилиндра из неферромагнитного материала; термообработка и обеззараживания в электромагнитном поле сверхвысокой частоты в процессе измельчения и смешивания; пневмотранспортирования готового продукта в циклон-разгрузитель.

Включить электродвигатель кулачкового механизма, который через шатунный механизм обеспечивает вибрацию экранирующего корпуса 2, и этому способствуют амортизационные пружины, закрепленные на монтажные стойки 1. Включить электропривод для вращения ротора с помощью вала 5, закрепленного к диску 6. Далее дозированно подать сырье в неферромагнитный цилиндр 4 в виде терки, выполняющий функцию коаксиального резонатора, через приемный патрубок 8 (запредельный волновод).

Включить сверхвысокочастотные генераторы 7 (указан только один СВЧ-генератор). Включить вытяжной вентилятор пневмотранспортера для транспортирования готовой продукции в циклон-разгрузитель. Сырье в процессе вращения ротора (4, 5) многократно ударяется о стенки терочного цилиндра 4, измельчается, эндогенно нагревается и обеззараживается в процессе воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты. Измельченное сырье до определенных размеров проходит через боковую поверхность резонатора 4, накапливается в узком кольцевом пространстве, откуда через выгрузной патрубок 3 транспортируется за счет вытяжного вентилятора в циклон-разгрузитель. При этом непрерывность процесса обеспечивается: с максимальным использованием свойств сыпучести и вязкости сырья; рациональным выбором производительности установки в зависимости от свойств компонентов сырья; процентным соотношением компонентов в соответствии с рецептом.

Принцип действия пневмотранспортера следующий. Гибкий рукав соединяется с выгрузным патрубком 3 (запредельным волноводом), вентилятор давления нагнетает воздух, после чего рассыпное сырье всасывается из кольцевого пространства между экранирующим корпусом 2 и терочным цилиндром 4. Посредством разряжения, созданного воздушным потоком вентилятора высокого давления, рассыпное сырье попадает во всасывающий циклон пневмотранспортера, где гравитационно осыпается вниз. Регулировка производительности транспортирования рассыпного продукта осуществляется посредством манипуляций с заслонкой заборного сопла. Продолжительность воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сырье регулируется в зависимости от вида электрофизических свойств сырья. Использование данной установки дает возможность ускорить процесс термообработки сырья, снизить энергозатраты, повысить качество продукта. При воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты на многокомпонентное сырье каждая элементарная частица сырья нагревается равномерно и избирательно в зависимости от их диэлектрических параметров, что повышает качество продукта. Находясь в электромагнитном поле, многокомпонентное сырье нагревается до оптимальной температуры, а микроорганизмы, у которых фактор потерь больше, чем у сырья, нагреваются до летальной температуры и уничтожаются. Это обеспечивает полное обеззараживание сырья. Регулирование мощности микровол­новой установки осуществляется с использованием нескольких СВЧ-генераторов. Количество ­СВЧ-генераторов влияет на производительность установки (рис. 2).

Сущность процесса. Энергия внешнего поля, затраченная на поляризацию диэлектрика, превращается в нем в теплоту, причем теплота возникает во всем объеме продукта. Диэлектрические свойства сырья зависят от влажности, температуры и частоты электромагнитных излучений. Характер взаимодействия количества выделяющейся теплоты и глубины проникновения электромагнитного поля сложный. Поэтому необходимо обосновать толщину сырья в резонаторе, чтобы не наблюдалось перегрева его наружных слоев, если фактор потерь достаточно большой. И наоборот, отмечается перегрев внутренних слоев при малых значениях коэффициента поглощения [9, 14].

Микроволновая технология име­ет ряд преимуществ перед традиционными методами термической обработки: это высокая скорость нагрева; возможность обеспечения мягкого режима нагрева; создание заданной температуры путем подбора конфигурации объемных резонаторов; возможность обеспечения радиогерметичности; генерация тепла непосредственно в продукте сводит к минимуму потери тепла на нагрев оборудования и во внешнюю среду. Механизмы, обеспечивающие вибрацию экранирующего корпуса, приведены на рис. 3.

Предварительный выбор двигателей по мощности выполним на основании среднего рабочего периода цикла значения мощности, которое устанавливается на основании аналитической формулы исходя из конструктивных размеров рабочих органов механизмов и параметров обрабатываемого сырья в зависимости от различных изменяющихся факторов [17].

1. Мощность привода неферромагнитного цилиндра и диска (ротора) определяем по формуле:

Р = 3,3 ∙ Q t f D ω k/ηп, (1)

где Q – производительность, кг/с;
t – продолжительность нахождения сырья в цилиндре, с; f – коэффициент трения сырья; D – диаметр цилиндра, м; ω – скорость ротора, рад/с; k – коэффициент, учитывающий вращательное движение сырья (0,3…0,4).

2. Мощность электровибратора экранирующего корпуса:

(2)

где k – коэффициент, зависящий от упругости и вязкости сырья; т1 – масса дисбаланса, кг; ε – эксцентриситет дисбаланса, м; ω – угловая скорость массы дисбаланса вокруг оси вибратора (частота колебаний), рад/с;
φ – угол сдвига фаз между возмущающей силой (в данном случае вертикальная слагающая центробежной силы) и деформацией среды; т2 – масса вибратора, кг; ηп – КПД пе­редачи.

Частота колебаний вибратора должна быть несколько выше, чем резонансная частота системы «вибратор – сырье», об/мин.

3. Во всасывающем пневмотранспортере сырье перемещается по трубопроводу, минуя вентилятор. Поэтому расчет мощности электродвигателя, работающего при номинальной скорости, проводим по формуле

Р = qв ∙Ро10–3вηп, (3)

где qв – расход воздуха, м3/с; Ро – перепад давлений с учетом динамического давления воздух, потерь давления на прямолинейном участке, в местных сопротивлениях и в разгрузочном устройстве циклоне, Па; ηв – КПД вентилятора; ηп – КПД передачи.

Выводы

Разработана технология термообработки непищевого сырья животного происхождения в непрерывном режиме за счет многократного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, реализованная в установке с цилиндрическим резонатором в виде терки, вращающимся от электродвигателя при вибрации экранирующего корпуса. Установка позволяет улучшить энергетическую ценность и санитарное состояние продукта. Структура продукта становится рыхлой из-за высокого давления внутри частиц, при этом происходит полное уничтожение как внешней, так и внутренней микрофлоры.

Микроволновая технология термообработки непищевых отходов животного происхождения отвечает требованиям технического задания и техническим требованиям по технико-эксплуатационным, энергетическим и качественным показателям.

Полученные математические модели позволяют оценить кинетику нагрева многокомпонентного продукта, определить мощность электродвигателя вибратора установки.

Во время разработки микроволновых установок решающим является распределение электромагнитного поля в объемном резонаторе и в многокомпонентном сырье при максимальной добротности резонатора и напряженности электрического поля.

Распределение электрического поля в резонаторе большого объема при использовании одного маломощного магнетрона остается, однако, неоднородным, поэтому предпочтительнее реализация нескольких магнетронов для лучшего распределения электрического поля и однородного нагрева многокомпонентного сырья.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Машины и аппараты пищевых производств / С. Т. Ан­типов [и др.] : учебник для вузов / под ред. В. А. Панфилова. – М. : Высшая школа, 2001. − 226 с.
  2. Бредихин С. А. Технологическое оборудование мясокомбинатов. – М. : Колос, 2000. − 206 с.
  3. 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.
  4. Объемные резонаторы СВЧ-ге­нератора для термообработки сырья в поточном режиме / М. В. Белова, Б. Г. Зиганшин, А. Н. Федорова, Д. В. Поручиков // Естественные и технические науки. – 2015, № 1. –
    С. 121–123.
  5. Бородин И. Ф., Но­вико­ва Г. В. Интенсификация электромагнитным полем технологических процессов в животноводстве // Известия НАНИ ЧР. 1996. – № 4. – С. 50–53.
  6. Бородин И. Ф. Использование СВЧ-энергии в сельскохозяйственном производстве // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1987. – № 9. – С. 28 – 37.
  7. Гинзбург А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. – М. : Агропромиздат, 1985. − 336 с.
  8. Журавлев А. Н. Электротехно­логические конвейерные СВЧ- установки равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов: дис. ... канд. техн. наук. – Саратов, 2004. – 235 с.
  9. Зиганшин Б. Г., Белова М. В., Новикова Г. В. Электродина­мический анализ резонаторов, используемых в сверхвысокочастотных установках // Естественные и технические науки. – 2015. – № 6. – С. 477–480.
  10. Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. – М. : Колос, 2001. – 552 с.
  11. Ершова И. Г., Новикова Г. В., Поручиков Д. В. Разработка радиоволновых установок для переработки мясокостных отходов // Научное обозрение. – 2016. – № 18. –
    С. 56–60.
  12. Орлов В. В., Алферов А. С.Перспективы применения микроволновой обработки жидких пищевых продуктов // НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». – 2006. – № 2(2).
  13. Пат. 2581224 Рос. Федерация, МПК. С11В1/12. Центробежная установка для термообработки жиросодержащего сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты / О. В. Михайлова, М. В. Бе­лова, А. А. Бе­лов, Г. В. Но­викова, И. Г. Ер­шова; заявитель и патентообладатель МАДИ (RU). – № 2014150840/20 (081472) ; заявл. 17.12.2014, Бюл. № 11 от 20.04.2016. – 11 с.
  14. Пат. 2505355 Рос. Федерация, МПК С11В1/12. Сверхвысокочастотная установка для выделения расплавленного жира из жиросодержащего сырья / М. В. Белова, А. А. Белов, Г. В. Новикова, О. В. Михайлова, И.Г. Ершова ; заявитель и патентообладатель АНОВО «АТУ» (RU).  – № 2015138179/13(058546); заявл. 2.08.2015, Бюл. № 35 от 20.12.2016. – 15 с.
  15. Рогов И. А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / И. А. Рогов, В. Я. Адаменко, С. В. Некрутман и др. – М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 288 с.
  16. Стребков Д. С. Нанотехнологии в сельском хозяйстве // Техника в сельском хозяйстве. – 2008. – № 4. – С. 3–5.
  17. Нек­расов А. И., Стребков Д. С. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии ; 4-е изд., перераб. и доп. – М., 2013. – 584 с.
  18. Справочник по автоматизированному электроприводу. – М. : Энергия, 1994. – 616 с.
  19. Толмачева Т. А. Влияние ­СВЧ-поля на микрофлору и качественные показатели сухофруктов: дис. … канд. биол. наук. – Красноярск, 2004. – 136 с.
  20. Уездный Н. Т. СВЧ установка для термообработки крови убойных животных // автореферат дис. канд. тех. наук. – М. : ВИЭСХ, 2013. – 20 с.

Метки: Инженерия