CC BY
16
Вестник^ВТУИТ/Proceedings of VSUET, Т. 80, № 1, 2018-
Оригинальная статья/Original article_
УДК 637.02
DOI: http://doi.org/1Q.2Q914/231Q-1202-2Q18-1-7Q-8Q
Обоснование параметров СВЧ установки для обеззараживания и _отделения пуха от шкур кроликов_
Евгений А. Шамин 1 evg.shamin4@gmail.com
Галина В. Новикова 1 NovikovaGalinaV@yandex.ru
Ольга В. Михайлова 1 ds17823@yandex.ru
Марьяна В. Белова 1 maryana belova 8Q3@mail.ru
1 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, ул. Октябрьская, 22, г. Княгинино, 606340, Россия Реферат. Целью настоящей работы является обоснование параметров и режимов работы сверхвысокочастотной установки для отделения пуха со шкур кроликов в непрерывном режиме. В связи с поставленной целью решаются задачи: определить необходимую мощность электромагнитных излучений для снижения бактериальной обсемененности сырья; определить критическую напряженность электрического поля сверхвысокой частоты, обеспечивающую уничтожения микроорганизмов в сырье; согласовать величину напряженности электрического поля с собственной добротностью, объемом резонатора и производительностью установки; обосновать конфигурацию резонатора, обеспечивающую критическую напряженность электрического поля, высокую собственную добротность, радиогерметичность при непрерывном режиме работы установки; разработать СВЧ установку, реализующую микроволновую технологию отделения обеззараженного пуха со шкур кроликов. В работе применена теория электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Бактерицидный эффект воздействия ЭМПСВЧ исследовали согласно закону Ламберта-Бугера и по методике Соколова В.Ф. Обоснование критической напряженности электрического поля, обеспечивающей уничтожение микроорганизмов в сырье, проводили по методике Ю.В. Корчагина Разработку биконического резонатора, повышающего радиационную добротность при нагреве шкуры в непрерывном режиме проводили по методике О.О. Дробынина Обоснованы режимы работы СВЧ установки для обеззараживания и отделения пуха от шкур кроликов в непрерывном режиме при критической напряженности электрического поля и высокой собственной добротности биконического резонатора, обеспечивающего радиогерметичность. Приведены результаты вычисления распределения напряженности электромагнитного поля, плотности тока и добротности биконического резонатора, полученные по программе С8ТМ1сгошауе8Шйов режиме переходного процесса. Развитие микроорганизмов прекращается только при обеспечении напряженности электрического поля в резонаторе выше 1,2 кВ/см. Усеченный биконический резонатор, объемом 350 л с собственной добротностью 7000, при мощности магнетронов 3200 Вт обеспечит напряженность электрического поля 1,2-1,5 кВ/см и снижение общего микробного числа в два раза при непрерывном режиме работы СВЧ установки. Разработанная СВЧ установка содержит горизонтально расположенный, симметричный усеченный биконический резонатор, внутри которого соосно установлена рабочая ветвь транспортера, выполненного из фторопластовой сеточной ленты. В области вершин конусов имеются щели, ширина которых больше ширины ленты, а высота щелей меньше, чем четверть длины волны. Магнетроны расположены в области оснований конусов, а на образующей одного конуса имеется пневмопровод, а другого - распылитель рассола.
Ключевые слова: СВЧ установка, биконический резонатор, критическая напряженность электрического поля, добротность, бакте-
Justification of parameters of microwave installation for decontamination and separation of fluff from the skins of rabbits
Evgenii A. Shamin 1 evg.shamin4@gmail.com
Galina V. Novikova 1 NovikovaGalinaV@yandex.ru
Olga V. Mikhailova 1 ds17823@yandex.ru
Mariana V. Belova 1 maryana belova 8Q3@mail.ru
1 Nizhny Novgorod state engineering-economic University, Oktyabrskaya, 22, Knyaginino, 606340, Russia Summary.The purpose of this work is to substantiate the parameters and modes of operation of the ultra-high-frequency plant for separating the down from the skins of rabbits in continuous mode. In connection with the goal, the following tasks are solved: to determine the required power of electromagnetic radiation to reduce the bacterial contamination of the raw material; to determine the critical intensity of the ultrahigh frequency electric field that ensures the destruction of microorganisms in the raw material; to agree on the magnitude of the electric field strength with its own quality, the volume of the resonator and the performance of the installation; to justify the configuration of the resonator, providing the critical electric field, high quality, radiopharmacist in the continuous mode of operation; to develop microwave installation, microwave technology implements the separation of disinfected feathers from skins of rabbits. In the work of the applied theory of the electromagnetic field of ultrahigh frequency (EFUF). The bactericidal effect of EFUF exposure was investigated according to the Lambert-booger law and the Sokolov V. F. method. The rationale for the critical electric field strength that ensures the destruction of microorganisms in raw materials, carried out by the method of Korchagin and the Development of a biconical resonator, enhancing radiation q-factor at heating the skins in continuous mode was carried out according to the method Drobinin O. Justified modes of operation of the microwave installation for decontamination and separation of fluff from the skins of rabbits in continuous mode at the critical electric field and high q-factor biconical resonator, providing radiopharmacist. The results of calculating the distribution of the electromagnetic field intensity, current density and q-factor of the biconical resonator obtained by the program CST Microwave Studio in the transient mode are presented. The development of microorganisms stops only when the electric field strength in the resonator is above 1.2 kV/cm. Truncated biconical resonator, with a volume of 350 l with its own q-factor of 7000, with the power of the magnetrons 3200 watts will provide the electric field strength of 1.2 m to 1.5 kV/cm and reduced the total microbial number in half for continuous operation of the microwave installation. The developed microwave Для цитирования For citation
Шамин Е.А., Новикова Г.В., Михайлова О.В., Белова М.В. Обоснование параметров СВЧ установки для обеззараживания и
отделения пуха от шкур кроликов // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 80. т/птпт гт>- л- ^гсттсп «ю , «л 1 7„
№ 1. С. 70-80. скм: 10.20914/2310-1202-2018-1-70-80 УСЧ1Т .[Рго?е^ У!8?. Па 1 РР 70
Shamin E.A., Novikova G.V., Mikhailova O.V., Belova M.V. Justification of parameters of microwave installation for decontamination and separation of fluff from the skins of rabbits. Vestnik
(in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2018-1-70-:
plant contains a horizontally located, symmetrical truncated biconical resonator, inside which the working branch of the conveyor made of fluoropolymer mesh belt is coaxially installed. In the region of the cone vertices there are cracks whose width is greater than the width of the ribbon, and the height of the cracks is less than a quarter of the wavelength. Magnetrons are located in the base area of the cones, and the generator of one cone has a pneumatic line, and the other - a brine spray.
Keywords: microwave installation, biconical resonator, the critical electric field strength, q-factor, a bactericidal effect, the skins of rabbits, brine
Введение
Целевая программа «Развитие и увеличение производства продукции кролиководства в РФ на 2014-2020 годы» предусматривает объем финансирования по годам из средств федерального бюджета до 9 млрд. руб. (30%). В основном мясо кролика поставляют на рынок фермерские хозяйства, на их долю приходится 13-15 тыс. тонн в год. Промышленным способом в России производится не более 2,5-3 тыс. тонн в год [14, 16]. Сегодня у производителей возникают проблемы с реализацией кроличьего меха, так как достаточно высокие эксплуатационные затраты на выделку шкур, а прибыль от реализации пуха от одного кролика в год может составить 4-5 тыс. руб. В связи с этим разработка научно-обоснованной технологии и технических средств, обеспечивающих отделение волосяного покрова от шкуры кроликов в непрерывном режиме с сохранением качества пуха для фермерских хозяйств, актуальна.
Целью работы является обоснование параметров и режимов работы сверхвысокочастотной установки для отделения пуха со шкур кроликов в непрерывном режиме.
Задачи исследования:
1. Определить необходимую мощность электромагнитных излучений для снижения бактериальной обсемененности сырья.
2. Определить критическую напряженность электрического поля сверхвысокой частоты, обеспечивающую уничтожения микроорганизмов в сырье.
3. Согласовать величину напряженности электрического поля с собственной добротностью, объемом резонатора и производительностью установки.
4. Обосновать конфигурацию резонатора, обеспечивающую критическую напряженность электрического поля, высокую собственную добротность, радиогерметичность при непрерывном режиме работы установки.
5. Разработать СВЧ установку, реализующую микроволновую технологию отделения обеззараженного пуха со шкур кроликов.
Материалы и методы исследований
Основоположниками данного научного направления являются академики: И.Ф. Бородин, Д.С. Стребков, Л.Г. Прищеп и др. Продолжаются
исследования по разработке и совершенствованию сверхвысокочастотной технологии и технических средств, для применения в сельском хозяйстве профессорами А.Н. Васильевым, С.В. Вендиным, Н.В. Цугленок и др. В работе применена теория электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Бактерицидный эффект воздействия ЭМПСВЧ исследовали согласно закону Ламберта-Бугера и по методике В.Ф. Соколова. Обоснование критической напряженности электрического поля, обеспечивающей уничтожение микроорганизмов в сырье, проводили по методике Ю.В. Корчагина. Разработку биконического резонатора, повышающего радиационную добротность при нагреве шкуры в непрерывном режиме проводили по методике О.О. Дробынина.
Результаты исследования и обсуждения
Элементы теории по обеззараживания сырья. Принцип обеззараживание сырья основан на его прозрачности для сантиметровых волн, и на способности уничтожить микроорганизмы в сырье. Действие электромагнитных излучений (ЭМИ) на бактерии носит биохимический характер, а бактерицидный эффект воздействия связан с изменениями, происходящими в самих микроорганизмах. Известно, что под воздействием ЭМПСВЧ вегетативные виды бактерий уничтожаются. Согласно закону Ламберта-Бугера, при прохождении потока волн через сырье происходит его изменение, по эмпирически установленной зависимости [12]:
Б = Б ■ е-р'"к, (1)
где Бо, Бдоп - общее микробное число в сырье до и после воздействия ЭМПСВЧ, КОЕ/мл; Р - интенсивность потока мощности излучений, Вт/см2; t - продолжительность воздействия ЭМПСВЧ; с; к - коэффициент сопротивляемости бактерий (палочек коли), находящихся в сырье, мкВт^с/см2.
Бактерицидный эффект, характеризуемый отношением Б/Бо зависит от количества затрачиваемой энергии Pxt, т. е. от дозы воздействия ЭМПСВЧ. При этом следует учитывать значение коэффициента поглощения, которое зависит от длины волны и диэлектрических свойств сырья. Коэффициент поглощения электромагнитных излучений кожей составляет [3, 17]:
_ 3,14-л/28...33-0,428 1 " 12,24 '
= (0,58...0,63)—, см
(2)
где X - длина волны, равная 12,24 см; е - диэлектрическая проницаемость кожи (28-33, при температуре 0-60 °С); tgS - тангенс угла диэлектрических потерь сырья (0,428). В связи с тем, что микроорганизмы на 80% состоят из воды, коэффициент поглощения которой составляет а = (0,1-0,2) см-1.
Равномерный нагрев сырья происходит, если его толщина не превышает удвоенного значения глубины (у) проникновения ЭМПСВЧ, т. е. 3,34 см:
_9,55-10-tgë^Js 9,55-109
(3)
: = 1,72 см.
0,428-2450-106л/28...33
Определяем необходимую мощность электромагнитных излучений для снижения бактериальной обсемененности сырья с 1 млн. КОЕ/г до ПДУ (500 тыс. КОЕ/г), содержащего бактерии коли (к = 2400 - 2500 мкВт*с/см2) при производительности установки Q = 10 кг/ч (9,25 см3/с, 30-35 шкур/ч) и КПД = 0,75, по формуле В.Ф. Соколова [12]:
Qak 1п
Р = --
Бдоп
Б0 у
9,25-0,15-24001п
Л
( 500-103 ^ 1000-103
(4)
■ = 3077 Вт.
0,75
Необходимое количество СВЧ генераторов, мощностью 800 Вт для снижения степени обсе-мененности сырья в два раза, составит: N = 3077/800 =4 шт. Т.е. для снижения общего микробного числа в два раза потребуется мощность СВЧ генератора в пределах 3,1 кВт.
Далее, проанализируем при какой напряженности электрического поля в резонаторе, прекращается размножение микроорганизмов.
Теоретическое обоснование напряженности электрического поля, обеспечивающей обеззараживание шкуры, проводили по методике Ю.В. Корчагина [9]. Известно, что энергия ЭМПСВЧ очень сильно поглощается водой, являющейся одним из основных компонентов любого микроорганизма (бактерии на 80% состоят из воды, содержание воды в спорах бактерий составляет 5-15%). При этом нагрев осуществляется за счет тепловой энергии, выделяющейся в объеме самого микроорганизма,
обладающего высоким тепловым сопротивлением, и поэтому оказываются беззащитными перед внутренним тепловыделением. Защитные оболочки микроорганизмов препятствуют отводу тепла из внутреннего объема, тем не мене для их уничтожения требуется достаточно высокая напряженность электрического поля. Это можно обеспечить при использовании либо мощных генераторов (более 4-5 кВт), либо нескольких генераторов малой мощности с воздушным охлаждением, излучатели которых направлены в один резонатор нетрадиционной конфигурации. Можно также уменьшить объем резонатора до 0,5 л, но это снижает практическое применение в фермерских хозяйствах. В объемных резонаторах (17-28 л), традиционных микроволновых печей, возбуждается электрическое поле напряженностью не более 0,2 кВ/см, что намного ниже критической напряженности для микроорганизмов. Поэтому разрабатываем микроволновую технологию обеззараживания сырья с использованием маломощных генераторов (700-800 Вт) и объемных резонаторов нетрадиционной конфигурации, обеспечивающих критическую напряженность электрического поля, например, квазистационарные, тороидальные, биконические резонаторы и др. [2, 8]. При разработке СВЧ установок используем маломощные магнетроны, рабочая частота которых отличается не более, чем на 20% от собственной резонансной частоты объемного резонатора.
Проведем оценку напряженности электрического поля СВЧ диапазона, достаточной для снижения развития микроорганизмов, путем непосредственного диэлектрического нагрева содержащейся в них воды [3, 9, 10]. Определяем мощность нагрева микроорганизма при воздействии ЭМПСВЧ. Оценим поглощающую способность кожи и воды при разных напряженностях электрического поля:
Р = (Е2^^«^), Вт/см3, (5)
где Е - напряженность электрического поля в сырье, В/см; ео - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85^10-14 Ф/см); е - относительная диэлектрическая проницаемость кожи равна 28 (при температуре 20 °С, влажности 46-47%, частоте 2450 МГц); tgS - тангенс угла диэлектрических потерь кожи - 0,428, к - фактор потерь -12;о =2 ж$, 1/с; / - частота ЭМП, Гц (2450 МГц) [11].
Кожа:
Р = (5002-8,85-10-14'28-6,28-2450-106-0,428) = =399,6 Вт/см3. Р = (10002-8,85-10"14-28-6,28-2450-106-0,428) = = 16315 Вт/см3.
Диэлектрические параметры воды при частоте 2450 МГц и при изменении температуре от 15 до 45 °С составляют:
е = 78,8-70,7, (среднее 74,75); tgS = 0,2-0,11 (среднее 0,153); к = 16,15-7,49 (среднее 11,82) [3, 11]. Вода:
Р =(5002-8,85-Ш-14-74,75-6,28-2450-106-0,153) =
=381,37 Вт/см3. Р=(10002-8,85-Ш-14-74,75-6,28-2450-Ш6-0,153) = = 15574 Вт/см3.
о Г2
Т5 В
3I £
О 1-й
О М
а ?
В о
о Рн
Результаты расчета сведены в таблицу 1, а на рисунке 1 приведены графики, характеризующие зависимость генерируемой мощности в коже и в воде от напряженности электрического поля при частоте 2450 МГц.
Известно, что размеры микроорганизма равны (2-3)х(0,3-0,8) мкм, т. е. средний радиус равен (0,5-0,7)* 10-6м. [9]. Зная, что потери мощности пропорциональны площади поверхности микроорганизма, а поглощаемая мощность диэлектрических потерь пропорциональна его объему, поэтому предварительно вычислим объем и площадь поверхности микроорганизма.
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
0
1
2
3
4
5
6
Напряженность электрического поля, кВ/см The electric field strength, kV/ cm Рисунок 1. Зависимость генерируемой удельной мощности в коже и в воде от напряженности электрического поля при частоте 2450 МГц
Figure 1. Dependence of the generated specific power in the skin and water on the electric field strength at a frequency of 2450 MHz
Если радиус микроорганизма принять равным 0,5^10-6 м, тогда объем и площадь составляют:
-18 „3.
м ;
(6)
V =4 п г3 /3 = = [4-я- (0,5^10-6)3]/3 = 0,523 -105 =4пг2 = 4 ^3,14^(0,5^ 10-6)2 = 3,1410-12 м2.
Проведем сравнительный анализ значений потерь мощности за счет теплопередачи и мощности диэлектрических потерь микроорганизмов, при воздействии ЭМПСВЧ. Определяем мощность тепловых потерь с поверхности микроорганизма. Она зависит от свойств окружающей среды, от теплопроводности материала, разности температур тела и окружающей среды, площади поверхности микроорганизма.
дтепл =Х-8^гаёТ =
= 0,023^3,14^10"12^0,07/0,5^10-6 = 110-8 Вт, (7)
где X - коэффициент теплопроводности волосяного покрова, Вт/м*К (воздуха 0,023 Вт/м*К; 5 - площадь поверхности микроорганизма, м2; gradТ - градиент температуры (разница температур между микроорганизмом и окружающей средой, отнесенный к радиусу микроорганизма, 0,07/г),К.
Потери на тепловое излучение при температуре поверхности микроорганизма:
Яизл = о 5 Т4 =
= 5,7 10-8 3,1410-12 • 3234 = 1,04 •Ю-15, Вт,
где о - излучательная способность абсолютно черного тела (5,7* 10-8 Вт/м2^К4); Т - абсолютная температура поверхности кожи, 50 +273 = 323 К.
Расчеты показывают, что потерями на тепловое излучение можно пренебречь. Результаты расчета мощности диэлектрических потерь при разных напряженностях электрического поля и радиусе микроорганизма 0,5Т0_6 м, сведены в таблице 1. Сравнительные графики, описывающие зависимость мощности диэлектрических потерь и мощности тепловых потерь от напряженности
электрического поля при радиусе микроорганизмов 0,5 мкм, приведены на рис. 2.
Зависимость мощности диэлектрических потерь от напряженности электрического поля при радиусе микроорганизма 0,5 мкм можно выразить эмпирической формулой Р = 0,327 Е2,86, где Р - мощности диэлектрических потерь, 10-8 Вт; Е - напряженность электрического поля, кВ/см.
Таблица 1.
Мощность диэлектрических потерь при разных напряженностях электрического поля и радиусе микроорганизма 0,5Т0_6 м (объем 0,523^ 10-12 см3, влажность 80%)
Table 1.
Capacity of dielectric loss at different intensities of the electric field and the radius of the microorganism is 0.5 x1Q"6 meters (volume 0.523 accordingly x 10-12 ст3, humidity 80%)
Е, В/см E, V/cm Р, Вт/см3 (кожа) P, WW (skin) Р, Вт/см3 (вода) P, W/от3 (water) Мощность диэлектрических потерь в воде, Вт Power of dielectric losses in water, W
500 400 381 0,02-10"8
1000 16315 15574 0,88-10"8
2000 65274 62285 3,26x10"8
3000 146864 140157 7,33'10"8
5000 146864 389322 20,36-10"8
Мощность тепловых потерь | Power of heat losses ?тепл. = 0,45-3,14-10"12-0,0722 = Ы0"8 Вт| W
10
0,01
¡51
0,1
0,5
1,5 2 2,5 3
Напряженность электрического поля, кВ/см Electric field strength, kV / cm
3,5
4,5
0
1
4
5
Рисунок 2. Графики, описывающие зависимость мощности диэлектрических потерь (ряд 1) и мощности тепловых потерь (ряд 2) от напряженности электрического поля при радиусе микроорганизма 0,5 мкм
Figure 2. Graphs describing the dependence of the power of dielectric loss (number 1) and power heat losses (number 2) from the electric field if the radius of the microorganism is 0.5 microns
Из анализа графиков вытекает, что критическая напряженность электрического поля составляет 1,5 кВ/см. Тогда при напряженности электрического поля, выше 1,2 кВ/см, следует ожидать прекращение размножения микроорганизмов в шкуре кролика. Напряженность 1,5 кВ/см на много меньше пробивной напряженности электрического поля в диапазоне СВЧ излучений, равной 30 кВ/см [1]. Итак, значение критической напряженности электрического поля, выше которой происходит уничтожение микроорганизмов в сырье можно определить по формуле: [9] :
К =
Л ■ s ■ Т
£0 ■ tgS■s■ 2-ж-/-¥м1
, В/м. (9)
Далее проводим согласование объема резонатора с критической напряженностью электрического поля, собственной добротностью и с мощностью СВЧ генератора. В цилиндрических резонаторах, возбуждаемых на моде колебаний ТМ010, напряженность электрического поля определяется по формулам [1, 10]:
Е.
V
е ■ р
0,27 ■£„■£■ 2ж ■ / ■ V
'и л сь
В
м
Е
У
е ■ р
0,27■ео ■ 2ж■ /V
В
м
(10)
где Vрез. - объем резонатора, м3; Vсырья. - объем
сырья, м3; f - частота электромагнитного поля, Гц; Q - собственная добротность резонатора; Р - мощность генератора, Вт.
Если принять собственную добротность резонатора, равной 7000, то можно определить какой может быть объем резонатора и объем сырья, чтобы обеспечить напряженность электрического поля, равной (1,2-1,5) кВ/см, при мощности генератора 3200 Вт (четыре генератора, мощностью по 800 Вт).
7000■3200
0,27 ■ 8,85 ■Ш"12 ■ 2 ■ 3,14 ■ 2450 ■Ю6 [(1,2... 1,5) ■Ю5 ] = (271...423) ■Ш"3 мъ « 350 л.
Если собственную добротность резонатора увеличить до 9000 за счет использования лучшей отражающей поверхности и особой конфигурации, и направить три излучателя в резонатор, то необходимую напряженность электрического поля можно обеспечить также в объеме 350 л.
V.
е ■ р
0,27 ■£„■ 2ж ■ / ■ Е2 9000■2400
(11)
0,27 ■ 8,85 ■ 10"12 ■ 6,28■ 2450■ 106 [(1,2...1,5)■ 105] = (266,5...416,5)■Ю"3 мъ «350 л.
е ■ р
V.,
0,27 ■£„■£■ 2ж ■ / ■ Е2 9000■2400
(12)
0,27■ 8,85■10"12 ■ 28■ 6,28■ 2450■Ю6 [(1,2...1,5)■Ю5] = (9,5...14,8)■ 10"3 м.
Если мощность излучателя всего 2400 Вт, тогда существенно снизить бактериальную обсе-мененность не удастся по теории В.Ф. Соколова (см. формулу 4). Именно поэтому, полученные теоретические результаты можно реализовать в биконическом резонаторе с собственной добротностью 7000 и объёмом (350 л), обеспечивая напряженность электрического поля до 1,2-1,5 кВ/см при мощности четырех СВЧ генераторов 3200 Вт.
Известно, что открытый биконический резонатор обеспечивает непрерывный режим работы, повышая радиационную добротность [5, 6]. Характерной особенностью такого резонатора является наличие в резонансном объеме областей с резко выраженным экспоненциальным законом изменения электромагнитного поля. Это позволяет удалить часть поверхности без существенных потерь добротности для некоторых типов колебаний и тем самым реализовать открытую резонансную систему. К тому же биконические резонаторы по сравнению с цилиндрическим резонатором исключают вырождение паразитных типов колебаний, что позволяет достичь высоких значений добротности. Соответствующим выбором угла при вершине конуса можно сформировать электромагнитное поле, сконцентрированное в основном в центральной области резонатора. В средней части таких резонаторов существуют волны, постоянное распространение которых уменьшается в случае удаления от центра резонатора. Вблизи тех сечений, для которых выполняются критические условия, образуются поверхности, где наблюдается практически полное отражение волн. Поскольку эти поверхности находятся внутри резонатора, излучение из открытых концов значительно уменьшается. Излучатели СВЧ энергии следует располагать в области максимального диаметра резонатора, т. е. оснований конусов [5, 6]. Разработанная СВЧ установка содержит горизонтально расположенный, симметричный биконический резонатор (рисунок 3).
(a) (b)
Рисунок 3. Установка с биконическим резонатором для отделения волосяного покрова от шкур кроликов в непрерывном режиме при распылении рассола: а) общий вид; б) биконический резонатор; 1 - симметричный биконический резонатор; 2 - магнетроны; 3 - транспортер из диэлектрического материала в виде сеточной ленты; 4 - шкура кролика; 5 - распылитель рассола; 6 - патрубок для слива рассола; 7 - вал электродвигателя; 8 - опорные ролики
Figure 3.Installation with biconical resonator to separate the hair from the skins of rabbits in continuous mode when spraying brine:a) General view; b) biconical resonator; 1-symmetrical biconical resonator; 2-magnetrons; 3-conveyor of dielectric material in the form of mesh tape; 4-shku-RA rabbit; 5 - spray brine; 6 - pipe for brine drain; 7-shaft electric motor La; 8-support rollers
Внутри него соосно установлена рабочая ветвь транспортера 3, выполненного из фторопластовой сеточной ленты. Холостая ветвь транспортера проложена за пределом бикони-ческого резонатора 1, имеющего в области вершин щели, ширина которых больше ширины ленты, а высота щелей меньше, чем четверть длины волны. Магнетроны 2 СВЧ генераторов расположены в области оснований конусов со сдвигом по периметру, а на образующей одного конуса над рабочей ветвью транспортера имеется пневмопровод 9.
На образующей другого конуса бикони-ческого резонатора под рабочей ветвью транспортера установлен распылитель рассола 5. Патрубок для слива рассола 6 расположен в области максимального диаметра оснований биконического резонатора, под верхней ветвью транспортерной ленты. Внутри биконического резонатора перемещается с помощью транспортера шкура, мездровая сторона которой вымочена рассолом определенной концентрации. При включении СВЧ генераторов возбуждается в симметричном биконическом резонаторе ЭМПСВЧ. Распаренная шкура в ЭМПСВЧ создает такие условия, что происходит смягчение кожи, расширение пор, быстрое разрушение волосяных луковиц и высвобождение волос Г14, 151. Пневмонасос обеспечивает транспортировку отделенного пуха в циклон. В процессе распыления рассола через сеточную ленту, остатки рассола стекают через сливной патрубок 6 в специальную емкость.
Проанализируем резонансные свойства микроволновых резонаторов с коническими элементами. Конструкция резонаторов должна обеспечить: единственный рабочий тип колебаний
в выбранном частотном диапазоне; минимальное уменьшение добротности резонатора при возрастании коэффициента заполнения резонатора; постоянство коэффициента передачи резонатора [5, 6].
Известно, что наиболее распространенными объемными резонаторами являются круглые цилиндрические резонаторы с рабочим типом колебаний Н01 [4, 7, 13]. Путем подбора соотношения геометрических размеров элементов резонатора можно обеспечить выполнение основных требований, предъявляемых к резонаторам. Однако даже при эффективных параметрах цилиндрического резонатора, вырождение типов колебаний Н01 и Ещ происходит. Для подавления паразитного типа колебаний Е111 используют различные технические решения, усложняющие конструкции резонатора. В работах О.О. Дробахина показано, что в объемных резонаторах, содержащих участки с конической образующей, вырождение этих типов колебаний можно устранить [5, 6]. Поэтому проводим анализ резонансных свойств биконического резонатора, состоящего из двух конических элементов с общим основанием. Обозначим диаметр основания В, углы конусов при вершине 0, общую длину Ь, диаметры критических сечений ё.
Теоретические расчеты. Принятую величину собственной добротности 7000, необходимо рассчитать через конструкционные параметры усеченного биконического резонатора, т. е. через его геометрический объем и площадь поверхности. Схема усеченного биконического резонатора для отделения волосяного покрова от шкур кроликов с указанием размеров, обеспечивающих реализацию рассчитанных технологических параметров, приведена на рисунке 4.
Излучатель
«4
MM
Рисунок 4. Схема биконического резонатора для отделения волосяного покрова от шкур кроликов Figure 4. The scheme of the biconical resonator for separating the hair from the skins of rabbits
По предварительным расчетам, принимаем диаметр основания биконического резонатора семикратным длине волны, т. е. 85,68 см; высоту конуса 100 см, а длину центральной оси - 200 см. Если принять ширину сеточного транспортера 36 см, и учесть высоту щели для прохождения транспортера с шкурой, равной 10 см, то длина биконического резонатора составит 125 см. Причем диаметр критического сечения равен 0,72*85,68 = 30,85 см. Тогда будет образован усеченный конус, где на малом основании имеется вырез, размером 10x36 см. Следовательно, для прохождения сеточного транспортера, шириной 36 см, необходимо образующую усеченного конуса вырезать на глубину 5,15 см (36-30,85 = 5,15 см). Угол наклона образующей усеченного конуса 67 градусов.
Известно, что запас энергии в резонаторе пропорционален его объему, а энергия потерь пропорциональна объему, в котором они происходят (произведение площади поверхности резонатора на толщину поверхностного слоя). Следовательно, для любого вида колебания в объемном резонаторе, его добротность можно приблизительно вычислить. Это удвоенное отношение объема, в котором запасается энергия электромагнитного поля, к объему, в котором она расходуется, т. е. к объему, занимаемому поверхностным слоем во всех стенках резонатора [10]:
е = 2^ — ■К, (13)
м
где V - объем биконического резонатора, 8 - площадь внутренней поверхности, ограничивающей объем резонатора, м2; К - геометрический множитель, учитывающий снижение добротности резонатора, из-за щели; Д - толщина поверхностного слоя, м.
Толщина поверхностного слоя при изготовлении биконического резонатора из алюминия определяется по формуле [10]:
66-10"
Д = -
а
47
66-10"
V
57,14
(14)
35,72
л/2450-106
= 1,68-10"5 м.
гдест - удельная проводимость алюминия (35,72 м/Ом*мм2); (гжди - удельная проводимость меди (57,14 м / Ом •мм2)/- частота электромагнитного поля, Гц.
Вычислим объем, площадь поверхности и собственную добротность биконического резонатора:
TZ 2
V = — -п- r' 3
=2-3,14-i 85
3 I 2
-h =
195 2
= (15)
= 368655,6 см3 = 368,6 л.
2
2
2
Образующая конуса: l =
85
+ \ — | = 106,36 см.
Боковая площадь поверхности бикониче-ского резонатора:
85
5 = 2жт1 = 2 • 3,14---106,36 = 28387,5 см2. (16)
2
Собственная добротность биконического резонатора:
Q = 2 •
V ~А
• К = 2 •■
0,3686
2,84 1,68 • 10-
■• 0,7 = 10816.
Вычислим объем и площадь поверхности усеченного биконического резонатора (выполненного в виде двух усеченных конусов):
2
Vyce4. бикон.= 'ЛЬ ( R
2 2 2 + r2 +
Rr ),
(18)
Syce4. бикон. = 2 ж( R + r ) l + nRR +ЛГ2,
где V - объем, - площадь поверхности, Н - высота конуса,/ - длина образующей, Я - радиус большого основания, г - радиус малого основания.
Объем усеченного биконического резонатора:
2
^сеч. бикон. = (R
^85,68 Y ( 30,85
2 2 2 + r +
„ ч 2 • 3,14 125
Rr ) =----
32
+
85,681 (30,85
Л
= (19)
2 ) I 2 = 357690 см3 «360 л. Образующая отсекаемого конуса 30 85
= 30,85 = 39,45 см.
2•cos 67
Площадь поверхности усеченного бико-
нического резонатора:
Sy = 6,28
усеч. бикон. = 2^(R + r)l + ЖR
85,68 30,85
■ жг 2 =
(106,36 - 39,45)+ (20)
+3,14 ( 8568:1" + 3,14( 30-85
= 30992 см2.
Ожидаемая собственная добротность усеченного биконического резонатора:
V 0 3577
Q = 2—К = 2--,--0,7 = 9647. (21)
SA 3,11,68 •Ю-5
Исследования показывают, что уменьшение высоты резонатора не влияет на его резонансную частоту, но сильно уменьшает его собственную добротность. Собственная добротность усеченного биконического резонатора (9647) всего на 10% меньше, чем добротность биконического резонатора (10816), т. е. существенное изменение добротности не происходит. Реальное значение собственной добротности усеченного биконического резонатора будет ниже расчетного на 10-20% из-за шероховатости поверхности резонатора и щели, т. е. в пределах 7000-8000.
Итак, усеченный биконический резонатор, объемом 350 л с собственной добротностью 7000, при мощности магнетронов 3200 Вт обеспечит напряженность электрического поля 1,2-1,5 кВ/см и снижение общего микробного числа в два раза. Основные технические характеристики разрабатываемой установки, следующие: потребляемая мощность СВЧ генераторов 4,8 кВт; ожидаемая производительность установки 35-45 шт./ч; удельные энергетические затраты 0,25-0,39 кВт- ч/кг.
Если диаметр открытого торца d биконического резонатора равен половине диаметра основания D, то радиогерметичность сильно нарушается и его применять нельзя. Известно, что за пределами критических сечений выбранный тип волны не распространяется [5]. Если приравнять постоянной распространения волны к нулю, то можно вычислить координаты критических сечений, для выбранного типа колебаний при передвижении транспортера вдоль центральной оси.
Пользуясь программой CST Microwave Studio, вычисляем распределение напряженности электромагнитного поля в усеченном бикони-ческом резонаторе с четырьмя источниками и его добротность. Анализ показывает, что собственная добротность усеченного биконического резонатора, равная 7000 достигается при выбранных конструкционных размерах и при этом напряженность электрического поля достигает до 1,5 кВ/см.
Изменение геометрических размеров биконического резонатора и транспортера приводит к смещению резонансных параметров, а изменение продольного положения транспортера существенно не меняет резонансные параметры. Повышение угла конического участка приводит к возрастанию добротности; длину резонатора можно регулировать при постоянных диаметрах оснований конусов. Перемещение транспортера в биконическом резонаторе минимально деформирует структуру электрических полей.
Заключение
1. Размножение микроорганизмов прекращается только при обеспечении напряженности электрического поля в резонаторе выше 1,2 кВ/см.
2. Усеченный биконический резонатор, объемом 350 л, с собственной добротностью 7000, при мощности генераторов 3200 Вт обеспечит напряженность электрического поля 1,2-1,5 кВ/см и снижение общего микробного числа в два раза при непрерывном режиме работы СВЧ установки с энергетическими затратами до 0,39 кВт- ч/кг.
3. Разработанная СВЧ установка, производительностью до 45 шт./ч содержит горизонтально расположенный, симметричный усеченный биконический резонатор, внутри которого соосно установлена рабочая ветвь транспортера, выполненного из фторопластовой сеточной ленты. В области вершин конусов имеются щели, ширина которых больше ширины ленты, а высота щелей меньше, чем четверть длины волны. Магнетроны СВЧ генераторов расположены в области оснований конусов со сдвигом по периметру, а на образующей одного конуса,
ЛИТЕРАТУРА
1 Мак-Доналд А. СВЧ-пробой в газах. М.: Мир, 1969. 167 с.
2 Белова М.В. Разработка сверхвысокочастотных установок для термообработки сельскохозяйственного сырья. М.: ВИЭСХ, 2016. 40 с.
3 Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат, 1985. 336 с.
4 Григорьев А.Д. Электродинамика и микроволновая техника. СПб.: Лань, 2007. 704 с.
5 Дробахин О.О., Плаксин С.В., Рябчий В.Д., Салтыков Д.Ю. Техника и полупроводниковая электроника СВЧ. Севастополь: Вебер, 2013. 322 с.
6 Дробахин О.О. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами // Радиофизика радиоастрономия. 2009. Т. 14. С. 433-441.
7 Коломейцев В.А., Кузьмин Ю.А., Никуйко Д.Н., Захаров А.А. Электродинамические и тепловые свойства микроволновых печей при различных способах и системах возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере // Вопросы электротехнологии. 2014. № 2(3). С. 28-34.
8 Новикова Г.В., Жданкин Г.В., Михайлова О.В., Белов А.А. Анализ разработанных сверхвысоко -частотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2016. № 4 (42). С. 89-93.
9 Патент № 2161505. Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа. URL: http://ru-patent.info/21/60-64/2161505.html.
10 Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. М.: Радио и связь, 1981. 96 с.
над рабочей ветвью транспортера, имеется пневмопровод. На образующей другого конуса под рабочей ветвью транспортера установлен распылитель рассола.
Возможные направления исследований
На основе стратегической программы исследований «СВЧ технологии», утвержденной 17.12.2012 г. Департаментом радиоэлектронной промышленности РФ, активно ведутся работы по созданию СВЧ установок. Тем не менее, анализ новейших разработок ведущих мировых производителей позволяет выявить основные тенденции развития рынка СВЧ установок. Это устройства на основе алмазных структур, обладающих уникальными теплопроводными свойствами и радиогерметичностью.
Поэтому наша научная школа стремится создать широкую гамму объемных резонаторов, обеспечивающих радиогерметичность СВЧ установки при непрерывном технологическом процессе и снизить габаритные размеры, расширить диапазон рабочих частот, повысить стабильность режимных параметров.
11 Рогов И.А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 288 с.
12 Рубцов П.А. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1964. 502 с.
13 Стрекалов А.В., Стрекалов ЮА Электромагнитные поля и волны. М.: РИОР: ИНФРА-М, 2014. 375 с.
14 Шамин Е.А., Новикова Г.В., Зиганшин Б.Г., Белов ЕЛ.Технологии переработки мехового сырья кроликов // Вестник Казанский ГАУ. 2017. № 3(45). С. 61-67.
15 Чурсин В.Н., Дормидонтова О.В. Влияние низкотемпературной обработки сырья на структуру дермы // Кожевенно-обувная промышленность, 2004. № 2. С. 40-41.
16 Перспективы кролиководства URL: agbz.ru>articles/perspektivy-krolikovodstva.
17 Бурдо О.Г., Терзиев С.Г., Яровой И.И., Борщ А.А. Моделирование процессов обезвоживания пищевого сырья в электромагнитном поле // Вестник ВГУИТ. 2013. № 3. С. 62-65.
REFERENCES
1 Mac-Donald A. Microwave breakdown in gases. Moscow: Mir, 1969. 167 p.
2 Belova M.V. Razraborka sverkhvysokochstotnykh ustanovok [Development of ultrahigh-frequency plants for heat treatment of agricultural raw materials] Moscow, VIESKh, 2016. 40 p. (in Russian).
3 Ginzburg, A. S. Raschet I proektirovanie [Calculation and design of drying installations of the food industry] Moscow, Agropromizdat, 1985. 336 p. (in Russian).
4 Grigoriev A.D. Elektrodinamika I mikrovolovnaya [Electrodynamics and microwave technology] Saint-Petersburg, Lan', 2007. 704 p. (m Russian).
5 Drobakhin O.O., Plaksin S.V., Ryabchiy D.V., Saltykov D.Yu. Tekhnika I poluprovodnikovaya [Electronics and semiconductor microwave electronics: a tutorial] Sevastopol, Weber, 2013. 322 p. (in Russian).
6 Drobakhin O.O. Resonant properties of axially symmetrical microwave resonators with conical elements. Radiofizika raioastroomiya [Radiophysics radio astronomy] 2009, no. 14, pp. 433-441. (in Russian).
7 Kolomeytsev V.A. Electrodynamic and thermal properties of microwave ovens in different ways and systems of excitation of the electromagnetic field in the working chamber. Voprosy elektrotekhnologii [Questions of Electrotechnology] 2014, no. 2(3). pp. 28-34.(in Russian).
8 Novikova G.V., Zhdankin G.V., Mikhailova O.V., Belov A.A. Analysis of developed ultrahigh-frequency plants for heat treatment of raw materials. Vestnik KazGAU [Proceedings of Kazan state agrarian University] 2016, no. 4 (42). pp. 89-93. (in Russian).
9 Sposob sterilizatsii pri pomoshchi SVCh izlucheniya [Patent number 2161505. Method of sterilizing materials by means of microwave radiation with a high field strength and device for implementing the method] Available at; http://ru-patent.info/21/60-64/2161505.html. (in Russian).
10 Pchelnikov Yu.N. Elektronika sverkhvysokikh chastot [Electronics of ultrahigh frequencies] Moscow: Radio and communication, 1981. 96 p.(in Russian).
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Евгений А. Шамин к.э.н., доцент, и.о. директора филиала «Институт пищевых технологий и дизайна», Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, ул. Октябрьская, 22, г. Княгинино, 606340, Россия, evg. shamin4 @gmail .com
Галина В. Новикова д.т.н., профессор, главный научный сотрудник, Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, ул. Октябрьская, 22, г. Княгинино, 606340, Россия, NovikovaGalinaV@yandex.ru Ольга В. Михайлова д.т.н., профессор, кафедра инфоком-муникационных технологий и систем связи, Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, ул. Октябрьская, 22, г. Княгинино, 606340, Россия, ds17823@yandex.ru
Марьяна В. Белова д.т.н., научный сотрудник, Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, ул. Октябрьская, 22, г. Княгинино, 606340, Рос-сия,maryana_belova_803@mail.ru
КРИТЕРИЙ АВТОРСТВА Евгений А. Шамин предложил методику проведения экспериментов и организовал проведения предварительных исследований на базе кролиководческого хозяйства Галина В. Новикова провела обзор литературных источников по исследуемой проблеме, провела эксперимент, выполнила расчёты
Ольга В. Михайлова консультация в ходе исследования Марьяна В. Белова написала рукопись, корректировала её до подачи в редакцию и несёт ответственность за плагиат КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
ПОСТУПИЛА 22.01.2018 ПРИНЯТА В ПЕЧАТЬ 19.02.2018
11 Rogov I.A. Elektrofiizcheskie, opticheskie I akusticheskie [Electrophysical, optical and acoustic characteristics of food products] Moscow, Light and food industry, 1981. 288 p. (In Russian).
12 Rubtsov P.A. Primenenie elektricheskoi energii [Use of electrical energy in agriculture] Moscow, Kolos, 1964. 502 p. (In Russian).
13 Strekalov A.V., Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya I volny [Electromagnetic fields and waves: textbook] Moscow, RIOR: INFRA-M, 2014. 375 p. (In Russian).
14 Shamin, E.A Technologies of processing of fur raw materials of rabbits. Vestnik KazGA [Proceedings of Kazan state agrarian university] 2017. no. 3(45). pp. 61-67. (in Russian).
15 Chursin, V.N. The influence of low-temperature processing of raw materials on the structure of the derma. Kozhevenno-obuvnaya promyshlennost' [Leather and footwear industry] 2004. no. 2. pp. 40-41.(in Russian).
16 Perspektive krolikovodstva [Prospective of rabbit breading] Available at: agbz.ru articles / perspektivy-krolikovodstva. (in Russian)
17 Burdo O.G., Terziev S.G., Yarovoy I.I., Borsch A.A. Modeling of food raw material dehydration processes in the electromagnetic field. Vestnik VGUIT [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies]. 2013. no. 3. pp. 62-65. (In Russian)
INFORMATION ABOUT AUTHORS Evgenii A. Shamin Cand. Sci. (Econ.), associate professor, acting Director of branch "Institute of food technologies and design", Nizhny Novgorod state engineering-economic University, Oktyabrskaya, 22, Knyaginino, 606340, Russia, evg. shamin4 @gmail .com
Galina V. Novikova Dr. Sci. (Engin.), professor, lead researcher, Nizhny Novgorod state engineering-economic University, Oktyabrskaya, 22, Knyaginino, 606340, Russia, Noviko-vaGalinaV@yandex.ru
Olga V. Mikhailova Dr. Sci. (Engin.), professor, infocommuni-cation technologies and communication systems department, Nizhny Novgorod state engineering-economic University, Oktyabrskaya, 22, Knyaginino, 606340, Russia, ds17823@yandex.ru
Mariana V. Belova Dr. Sci. (Engin.), researcher, Nizhny Novgorod state engineering-economic University, Oktyabrskaya, 22, Knyaginino, 606340, Russia,maryana_belova_803@mail.ru
CONTRIBUTION
Evgenii A. Shamin proposed a method for carrying out experiments and organized the preliminary research based on rabbit farms
Galina V. Novikova review of the literature on an investigated problem, conducted an experiment, performed computations
Olga V. Mikhailova consultation during the study
Mariana V. Belova wrote the manuscript, correct it before filing
in editing and is responsible for plagiarism
CONFLICT OF INTEREST
The authors declare no conflict of interest.
RECEIVED 1.22.2018 ACCEPTED 2.19.2018
