CC BY
9
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
Научная статья УДК 621.385.6
DOI: 10.24412/2227-9407-2023-2-35-46
Повышение эффективности СВЧ-конвективной хмелесушилки средствами управления конфигурацией и комплектацией резонаторов
Марьяна Валентиновна Просвирякова1, Наталья Геннадьевна Горячева2, Ольга Валентиновна Михайлова3, Галина Владимировна Новикова4 Владимир Федорович Сторчевой5, Наталья Юрьевна Криштопа6
1 5РГАУ-МСХА им К. А. Тимирязева, г. Москва, Россия
2 Академия гражданской защиты МЧС России им. генерал-лейтенанта Д. И. Михайлика, г. Химки, Россия
3 4 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Россия 6 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, г. Санкт-Петербург, Россия
1 ргозчггуакска. шагуапа@уа^вх. ги, НПр8://огс1й. о^/0000-0003-3258-260х
2 goгyacheva.76@mail.гu, ЪПр5://огс1й 0000-0003-4874-3922 3ds17823@yandex.ги, https://orcid.org/0000-0001-9231-4733
4NovikovaGalinaV@yandex.гuB!, https://oгcid.oгg/0000-0001-9222-6450 5 v_stoгchevoy@mail. ги, https://oгcid.oгg/ 0000-0002-6929-3919 6kгishnat@mail.ги, https://oгcid.oгg/0000-0001-5348-3622
Введение. Целью работы является разработка способов повышения эффективности хмелесушилки средствами управления конфигурацией и комплектацией резонаторов, оцениваемых равномерностью распределения электромагнитного поля (ЭМП) в резонаторе и равномерной сушкой хмеля.
Материалы и методы. С помощью компьютерного моделирования оптимизировали: количество и месторасположение магнетронов; элементов замедляющих систем. Исследование распределения напряженности ЭМП в нестандартных резонаторах и вычисление их собственной добротности проводили в программе CST Microwave Studio. Трехмерное моделирование конструкционных исполнений хмелесушилок проведено в программе Компас 20.
Результаты и обсуждение. Карусельная хмелесушилка с СВЧ-энергоподводом в сегменты коаксиального цилиндра состоит из радиальных сегментов коаксиального цилиндра. При этом с чередованием в сегменты цилиндра направлены излучатели от магнетронов, образуя объемный резонатор. На кольцевой платформе расположены диэлектрические кольцевые гребенки через две глубины проникновения волны в сырье. В загрузочной емкости и в последнем сегменте расположены спиральные неферромагнитные шнеки. Внутри каждого резонатора прикреплены керамические отражатели. Под нижние основания резонаторов направлены воздуховоды от тепловых пушек. Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка содержит цилиндрические неферромагнитные корпуса, внутри которых соосно и поярусно между стационарными перфорированными неферромагнитными основаниями расположены неферромагнитные перфорированные роторы с радиальными керамическими перфорированными перегородками. В каждом роторе внешняя и внутренняя неферромагнитные перфо-
© Просвирякова М. В., Горячева Н. Г. Михайлова О. В., Новикова Г. В., Сторчевой В. Ф., Криштопа Н. Ю., 2023
4.3.2. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Аннотация
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 2 (141). C. 35-46. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 2 (141). P. 35-46. ISSN 2227-9407 (Print)
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тггнмтnizirs FI РГТШГЛ! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvmlvmiii^ electrical technologies, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
рированные обечайки образуют кольцевое пространство. Роторы с неподвижными неферромагнитными основаниями образуют коаксиальные резонаторы. Загрузка сырья в отсеки, образованные между радиальными керамическими перегородками, происходит через секторные вырезы в основаниях резонатора. Заключение. На примере двух хмелесушилок с разными исполнениями резонаторов с использованием роторов с отсеками и спиральных шнеков показана возможность повышения эффективности хмелесушилки, с точки зрения равномерности сушки хмеля и обеспечения электромагнитной безопасности, управляя конфигурацией резонаторов. Равномерность сушки обеспечивается поддержанием толщины сырья, равной двум глубинам проникновения волны при непрерывном режиме. Сушка эффективнее в керамических отсеках ротора, размеры которых согласованы глубиной проникновения волны в сырье. Обеспечение скважности процесса равной 05, предназначенной для отволаживания хмеля, возможно не только при последовательном расположении резонаторов, но и поярусном, при чередовании с камерой без источников.
Ключевые слова: блок-схема сушилки, карусельная и роторная хмелесушилки, керамические отражатели, коаксиальный резонатор, резонатор в виде сегмента коаксиального цилиндра, спиральная и гребенчатая замедляющая система
Для цитирования: Просвирякова М. В., Горячева Н. Г. Михайлова О. В., Новикова Г. В., Сторчевой В. Ф., Криштопа Н. Ю. Повышение эффективности СВЧ-конвективной хмелесушилки средствами управления конфигурацией и комплектацией резонаторов // Вестник НГИЭИ. 2023. № 2 (141). С. 35-46. DOI: 10.24412/22279407-2023-2-35-46
Improving the efficiency of a microwave convective hop dryer by controlling the configuration and configuration of resonators
Mariana V. Prosviryakova1, Natalia G. Goryacheva2, Olga V. Michailowa3, Galina V. NovikovaiB, Vladimir F. Storchevoy5, Natalia Yu. Krishtopa6
1 '5RGAU-Moscow State Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev, Moscow, Russia
2Academy of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Russia named after Lieutenant General
D. I. Mikhailik, Khimki, Russia
3 4 Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia 6 Sankt-St. Petersburg 6State Agrarian University, St. Petersburg, Russia 1 prosviryakova.maryana@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0003-3258-260x 2goryacheva.76@mail.ru, https://orcid 0000-0003-4874-3922 3ds17823@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-9231-4733 4NovikovaGalinaV@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9222-6450 5v_storchevoy@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-6929-3919 6krishnat@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-5348-3622
Abstract
Introduction. Introduction. The aim of the work is to develop ways to improve the efficiency of the hop dryer by controlling the configuration and configuration of resonators, estimated by the uniformity of the distribution of the electromagnetic field (EMF) in the resonator and uniform drying of hops.
Materials and methods. Computer modeling was used to optimize: the number and location of magnetrons; elements of decelerating systems. The study of the EMF intensity distribution in non-standard resonators and the calculation of their own Q-factor was carried out in the CST Microwave Studio program. Three-dimensional modeling of the structural designs of hop dryers was carried out in the Compass 20 program.
Results and discussion. A carousel hop dryer with a microwave power supply to the segments of a coaxial cylinder consists of radial segments of a coaxial cylinder. At the same time, emitters from magnetrons are directed alternately into the cylinder segments, forming a volumetric resonator. Dielectric ring combs are located on the ring platform
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
through two depths of wave penetration into the raw material. Spiral non-ferromagnetic augers are located in the loading tank and in the last segment. Ceramic reflectors are attached inside each resonator. The air ducts from the heat guns are directed under the lower bases of the resonators. The rotary microwave convective hop dryer contains cylindrical non-ferromagnetic housings, inside of which non-ferromagnetic perforated rotors with radial ceramic perforated partitions are located coaxially and in tiers, between stationary perforated non-ferromagnetic bases. In each rotor, the outer and inner non-ferromagnetic perforated shells form an annular space. Rotors with fixed non-ferromagnetic bases form coaxial resonators. Loading of raw materials into the compartments formed between radial ceramic partitions occurs through sector cutouts in the resonator bases.
Conclusion. Using the example of two hop dryers with different versions of resonators using rotors with compartments and spiral screws, the possibility of increasing the efficiency of the hop dryer is shown, from the point of view of uniformity of drying hops and ensuring electromagnetic safety by controlling the configuration of resonators. Uniformity of drying is ensured by maintaining the thickness of the raw material equal to two wave penetration depths in continuous operation. Drying is more efficient in ceramic rotor compartments, the dimensions of which are consistent with the depth of penetration of the wave into the raw material. Ensuring the continuity of the process 05 for the cooling of hops is possible not only with a sequential arrangement of resonators, but also in tiered, alternating with a chamber without sources.
Key words: carousel and rotary hop dryers, block diagram of the dryer, spiral and comb retarding system, coaxial resonator, resonator in the form of a segment of a coaxial cylinder, ceramic reflectors
For citation: Prosviryakova M. V., Goryacheva N.G., Mikhailova O. V., Novikova G. V., Storchevoy V. F., Krishtopa N. U. Improving the efficiency of a microwave convective hop dryer by controlling the configuration and configuration of resonators // Bulletin NGIEI. 2023. № 2 (141). P. 35-46. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-2-35-46
Введение
Используемые в настоящее время конвективные хмелесушилки имеют конструкционные недостатки (несовершенство выпускных и воздухораспределительных устройств, неравномерное перемешивание при сушке) и чреваты неравномерностью нагрева и сушки хмеля различной влажности. В течение последних лет многие научные школы активно работают над разработками рабочих органов для термообработки, активного вентилирования и сушки сырья агропредприятий с использованием СВЧ-энергии сантиметрового диапазона [1; 2; 3; 4; 5; 21]. Отработаны разные методы расчета конструкционно-технологических параметров установок. Разработаны и изготовлены лабораторно-производственные образцы установок с маломощными СВЧ-генераторами для работы в непрерывном режиме с обеспечением электромагнитной безопасности в условиях фермерских хозяйств [6; 7; 8; 9]. В установках реализованы рабочие камеры, представленные в виде объемных резонаторов разных нестандартных конструкционных исполнений.
Целью работы является разработка способов повышения эффективности хмелесушилки средствами управления конфигурацией и комплектацией резонаторов, оцениваемых равномерностью распре-
деления электромагнитного поля в резонаторе и равномерного нагрева хмеля. На примере двух хме-лесушилок с магнетронами воздушного охлаждения и тепловыми пушками показаны возможности повышения эффективности хмелесушилок с изменением конфигурации рабочих камер и основных узлов транспортировки сырья в отсеках объемных резонаторов со скважностью процесса, равной 0,5, с обеспечением электромагнитной безопасности с помощью элементов замедляющих систем.
Материалы и методы С помощью компьютерного моделирования оптимизировали параметры отдельных узлов хме-лесушилок, такие как: количество и месторасположение волноводов с магнетронами; замедляющих систем в виде спирали, гребенки, кольцо-стержень, встречные штыри для обеспечения затухания электромагнитной волны на входных и выходных отверстиях резонаторов; диссекторов для обеспечения равномерного распределения электромагнитного поля. Вычислив размеры коаксиального резонатора, разработана пространственная модель в программе «Компас 20». Электродинамические параметры системы «генератор-коаксиальный резонатор» определяли в программе CST Microwave Studio [10; 11; 12].
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
Результаты и обсуждение
Рабочей камерой хмелесушилки, в которой происходит воздействие электромагнитного поля на свежеубранные шишки хмеля, является резонатор-ная электродинамическая система. Основными характеристиками неферромагнитного резонатора являются резонансная частота, активная проводимость, собственная добротность. Связь резонаторов с СВЧ-генератором осуществляют с помощью излучателей от магнетронов, направленных через специальный волновод. Основные задачи при конструировании резонаторных камер состоят в согласовании частоты резонатора и генератора и обеспечении необходимой равномерности нагрева хмеля. При большой загрузке сырья нагруженная добротность резонатора резко падает. Поэтому вопрос согласования ввода энергии с параметрами резонатора отпадает, но возрастает риск пробоя сырья при большой его влажности [13; 14; 15].
Для достижения равномерности нагрева сырья в резонаторе есть несколько способов:
1) увеличить линейные размеры конструируемых нестандартных резонаторов в 6-10 раз, чем длина волны генератора. Тогда в резонаторе можно возбудить несколько собственных видов колебаний, имеющих различное расположение узлов и пучностей электрического поля [16; 17]. Это приводит к существенному увеличению равномерности нагрева хмеля;
2) изменить фазу отражений волн, используя диссекторы, располагая вблизи волновода, что, в свою очередь, изменит частоту, генерируемую магнетроном, следовательно, увеличивается число видов колебаний в резонаторе и создается более равномерное распределение электрической составляющей поля в объеме резонатора;
3) возбуждать ЭМПСВЧ в резонаторе можно несколькими магнетронами воздушного охлаждения, работающими на близких частотах сантиметрового диапазона, например: 915, 2375 и 2450 МГц [17].
Результатом оценки всегда должен быть выбор конструкционных исполнений резонаторов и
узлов, обеспечивающих равномерный нагрев сырья.
Эти способы реализованы в разработанных в научной школе хмелесушилках разного конструкционного исполнения. Например, в хмелесушилках карусельного и роторного типа (рис. 1, 2) более подробно описана взаимосвязь всех узлов.
1. Карусельная хмелесушилка с СВЧ-энергоподводом в сегменты коаксиального цилиндра (рис. 1) состоит из радиальных сегментов равного объема коаксиального цилиндра 1, расположенного в вертикальной плоскости, где чередуются с сегментами без энергоподвода, представленных как объемные резонаторы. На боковых гранях сегментов предусмотрены окна для карусельной диэлектрической перфорированной кольцевой платформы 2 на диэлектрической раме с роликами, вращающейся от электропривода. На кольцевой платформе расположены диэлектрические кольцевые гребенки 10, через две глубины проникновения волны в сырье, а во внутреннем цилиндре, образованном торцевыми сторонами сегментов, имеются воздухоотводящие окна от каждого сегмента, диаметром менее чем четверть длины волны. На верхнем основании внутреннего цилиндра расположен неферромагнитный вытяжной вентилятор 5, а через нижнее основание проложен диэлектрический вал от электродвигателя. При этом с чередованием в сегменты коаксиального цилиндра, с трех наружных сторон, направлены излучатели через волноводы от магнетронов 6, образуя объемный резонатор. Над первым сегментом расположена неферромагнитная загрузочная емкость с заслонкой и спиральным неферромагнитным электроприводным шнеком 8, под которой радиально установлен диэлектрический ограничитель, высотой до кольцевых диэлектрических гребенок. Внутри последнего сегмента по диагонали основания расположен диэлектрический безосевой жесткий винтовой электроприводной шнек. К наружной стороне, внутри каждого резонатора, прикреплены выпуклые керамические отражатели 13, а под нижние основания резонаторов направлены воздуховоды 4 от тепловых пушек.
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
а /а б/b в/с
Рис. 1. Карусельная хмелесушилка с СВЧ-энергоподводом в сегменты коаксиального цилиндра: а - общий вид; б - открытый резонатор; в - распределение ЭП в резонаторе; 1 - неферромагнитные радиальные сегменты коаксиального цилиндра; 2 - диэлектрическая перфорированная кольцевая платформа на раме 3; 4 - неферромагнитные воздуховоды с тепловыми пушками; 5 - воздухоотвод с вытяжным вентилятором; 6 - волноводы с магнетронами; 7 - неферромагнитная загрузочная емкость; 8 - неферромагнитный спиральный электроприводной шнек; 9 - диэлектрическая перфорированная кольцевая платформа; 10 - диэлектрические кольцевые гребенки; 11 - диэлектрический безосевой винтовой электроприводной шнек; 12 - приемная емкость; 13 - выпуклые керамические отражатели;
14 - диэлектрический ограничитель Fig. 1. Carousel hop dryer with microwave power supply to the segments of the coaxial cylinder: a - general view; b - open resonator; с - electric field distribution in the resonator; 1 - non-ferromagnetic radial segments of the coaxial cylinder; 2 - dielectric perforated ring platform on frame 3; 4 - non-ferromagnetic air ducts with heat guns; 5 - air outlet with exhaust fan; 6 - waveguides with magnetrons; 7 - non-ferromagnetic loading tank; 8 - non-ferromagnetic spiral electric drive auger; 9 - dielectric perforated ring platform;
10 - dielectric ring combs; 11 - dielectric axial rigid screw electric screw;
12 - receiving capacity; 13 - convex ceramic reflectors; 14 - dielectric limiter Источник: разработано авторами
Для ограничения электромагнитного излучения в открытое пространство в загрузочной емкости предусмотрена замедляющая система в виде спирального шнека 8, навитого из алюминиевой проволоки круглого поперечного сечения. Она обеспечивает замедление скорости распространения электромагнитных волн [17]. Особенностью спиральной замедляющей системы является слабая зависимость замедления от частоты электромагнитного поля. Правильным подбором радиуса спирали и шага намотки можно обеспечить достаточную эффективность замедления ЭМП, т. е. снижение излучений через загрузочное окно. Замедляющая спираль выполняет одновременно функцию равномерного перемещения сырья из загрузочной емкости 7 на карусельную диэлектрическую платформу в сегменте коаксиального цилиндра.
2. Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка (рис. 2) содержит экранирующие цилиндрические неферромагнитные корпуса 1, расположенные вертикально, внутри которого соосно и поярус-
но, между стационарными перфорированными неферромагнитными основаниями 7, 11, 15, расположены неферромагнитные перфорированные роторы 4, 8, 12 с радиальными керамическими перфорированными перегородками 6, 10, 14.
Поперечное сечение перегородок имеет сужающуюся книзу форму, где расстояние хорды между перегородками не более двух глубин проникновения волны. В каждом роторе внешняя и внутренняя неферромагнитные перфорированные обечайки образуют кольцевое пространство. Роторы с неподвижными неферромагнитными основаниями образуют коаксиальные резонаторы. Загрузка сырья в отсеки, образованные между радиальными керамическими перегородками, происходит через секторные вырезы в неферромагнитных основаниях каждого коаксиального резонатора. По периметру внешних обечаек роторов расположены венцы 20, 22, 24 для сцепления с ведущими шестернями на валу моторов-редукторов, расположенных вне хме-лесушилки.
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
ж 25 26
mmty
a/a г/d
Рис. 2. Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка с коаксиальными резонаторами: а) общий вид; б) перфорированный ротор с керамическими перегородками и с венцом на обечайке; в) основание резонатора с секторным вырезом; г) распределение электрического поля в резонаторе;
1 - неферромагнитный цилиндрический экранирующий корпус; 2, 7, 11, 15 - стационарные неферромагнитные основания с секторными вырезами; 3 - неферромагнитная загрузочная емкость с неферромагнитным спиральным шнеком; 4, 8, 12 - поярусно расположенные неферромагнитные роторы; 5, 9, 13 - отсеки, образованные перфорированными керамическими радиальными перегородками; 6, 10, 14; 16 - приемная неферромагнитная емкость; 17 - неферромагнитный спиральный шнек для выгрузки сырья; 18, 26 - магнетроны с волноводами и вентиляторами; 19, 21, 23 - неферромагнитные воздуховоды с тепловыми пушками соответствующих ярусов хмелесушилки; 20, 22, 24 - электроприводы роторов; 25 - воздухоотвод с вытяжным вентилятором Fig. 2. Rotary microwave convective hop dryer with coaxial resonators: a) general appearance; b) perforated rotor with ceramic partitions and with a crown on the shell; c) resonator base with a sector cutout;
d) electric field distribution in the resonator; 1 - non-ferromagnetic cylindrical shielding housing; 2, 7, 11, 15 - stationary non-ferromagnetic bases with sector cutouts; 3 - non-ferromagnetic loading chamber container with non-ferromagnetic spiral auger; 4, 8, 12 - tiered non-ferromagnetic rotors; 5, 9, 13 - compartments formed by perforated ceramic radial partitions; 6, 10, 14; 16 - receiving non-ferromagnetic container; 17 - non-ferromagnetic spiral auger for unloading raw materials; 18, 26 - magnetrons with waveguides and fans; 19, 21, 23 - non-ferromagnetic air ducts with heat guns of the corresponding tiers of the hop dryer; 20, 22, 24 - electric drives of the rotors; 25 - air outlet with exhaust fan
Источник: разработано авторами
В загрузочной неферромагнитной емкости, расположенной над секторным вырезом верхнего неферромагнитного основания резонатора первого яруса и в приемной неферромагнитной емкости 16, расположенной под секторным вырезом нижнего основания резонатора третьего яруса, расположены неферромагнитные электроприводные спиральные шнеки 3, 17. Излучатели от магнетронов 18, 26 воз-
душного охлаждения, расположенных со сдвигом на 120 градусов на верхнем основании резонатора первого яруса и под нижним основанием резонатора последнего яруса, направлены в соответствующие кольцевые пространства через волноводы. В каждый ярус рабочей камеры подведен через экранирующий корпус неферромагнитный воздуховод от тепловой пушки 19, 21, 23, а перфорированные
а
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
внутренние неферромагнитные обечайки образуют воздухоотвод 25.
Существуют электродинамические системы, в которых длина электромагнитной волны значительно меньше, чем длина волны в свободном пространстве [15; 17]. Такие системы называют замедляющими системами. Использование замедляющей системы, в виде неферромагнитных спиральных витков (рис. 3, а), перекрывающих отверстия для подачи сырья, обеспечивает электромагнитную безопасность при работе хмелесушилок в непрерывном режиме. На единицу длины в них приходится большое число длин волн, чем в обычных волноводах и, соответственно, большая плотность энергии ЭМП, поэтому при одинаковой мощности СВЧ-генератора в замедляющих системах можно получить тот эффект, что и в волноводе, но при значительно меньшей длине си-
стемы. Замедляющая спираль выполняет одновременно функцию равномерного перемещения сырья из загрузочной емкости в диэлектрические отсеки коаксиального неферромагнитного резонатора. Вместо замедляющей спирали можно рекомендовать применение других конструкций, например «гребенка» (рис. 3, б), кольцо-стержень (рис. 3, в), «встречные штыри» (рис. 3, г) [15]. При применении замедляющей системы типа «гребенка» интенсивность ЭМП резко падает с удалением от поверхности, и напряженность электрического поля в загрузочной емкости невелика. Применение фторопластовой гребенчатой направляющей (рис. 3, б) обеспечивает распределение сырья толщиной в соответствии с глубиной проникновения волны в сырье, следовательно, равномерное распределение сырья в резонаторе и равномерную сушку шишек хмеля по сечению.
ШШ1
а a
в/с г/d
Рис. 3. Замедляющие системы в виде: а) спирали; б) гребенки; в) кольцо-стержень; г) встречные штыри Fig. 3. Decelerating systems in the form of: a) spirals; b) combs; c) ring-rod; d) counter pins
Источник: разработано авторами
Генераторы и объемные резонаторы представляют резонаторные электродинамические системы. Они должны обеспечить: необходимую мощность и структуру электромагнитного поля сантиметрового диапазона; реализацию эффективных температурных и влажностных режимов в резонаторах соответствующего яруса; исключение излучения из резонаторов в окружающую среду при загрузке свежеубранного хмеля и выгрузки сухого хмеля. Процесс сушки производится в трех рабочих камерах, расположенных поярусно. Режимы сушки в каждом ярусе разные, они оптимизированы по параметрам конвективного тепла и генераторов в зависимости исходной влажности хмеля, влажности и температуры воздуха. Определение количества испарившихся из хмеля влаги, проводили по методике Е. П. Кошевой [18]. Буквенные обозначения приведены на рис. 5.
1. Количество испарившейся из хмеля влаги
(кг):
W = G - G4 = Gi ■
w1 - w4 100 - w.
(1)
2. Количество удаляемой влаги в каждом ярусе (кг/ч):
W =
G1 ■( w1
- w.
100 - w„
i W = -J-A
2 (w2 - w3,
100 - w
W3 =
G3 ■( w3 - w4 )
100 - w ''
(2)
где G2 = Gl - Gз = Ог - Щ.
Блок-схема СВЧ-конвективной хмелесушилки с основными узлами и с указанием технологических параметров, необходимых для разработки математических моделей сушки хмеля по известным методикам [19; 20], приведены на рис. 4 и 5.
i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex
Свежеубранный хмель / Freshly harvested hops
Загрузочная емкость со спиральной замедляющей системой - загрузочным —I шнеком / Loading tank with spiral retarding system -loading screw
Приемная емкость со спиральной замедляющей системой - выгрузным шнеком / Receiving tank with spiral retarding system -discharge screw
Поярусно расположенные камеры хмелесушилки / Tiered hops dryer chambers
Рабочая камера 1 яруса Коаксиальный резонатор в виде ротора с керамическими отсеками между стационарными основаниями / Working chamber of the 1st tier Coaxial resonator in the form of a rotor with ceramic compartments between stationary base
Рабочая камера 2 яруса Ротор без магнетронов / Working chamber of 2 tiers Rotor without magnetrons
out
w
Рабочая камера 3 яруса Коаксиальный резонатор в виде ротора с керамиче--скими отсеками между стационарными основаниями / Working chamber of 3 tiers Coaxial resonator in the form of a rotor with ceramic compartments between stationary bases
Источники СВЧ-энергии / Microwave energy sources
3 магнетрона воздушного охлаждения / 3 air-cooled magnetrons
3 магнетрона воздушного охлаждения / 3 air-cooled magnetrons
блок управления и питания генераторами, электроприводами шнеков, роторов; контрольно-измерительные приборы / control and power supply unit for generators, electric drives of augers,
rotors; control and measuring devices
Рис. 4. Блок-схема хмелесушилки с основными узлами Fig. 4. The block diagram of the hop dryer with the main nodes Источник: разработано авторами
Загрузочная емкость /Boot environment
G1 - масса свежеубранного хмеля / mass of mixed hops;
w1 - влажность хмеля / moisture absorption (70-82 %);
Т1 - температура хмеля / temperature of hops, °C (15-18 С);
Q - теплоемкость хмеля, кДж/кт°С / heat capacity of hops, kJ/kg °C
Источники конвективного тепла / Sources of convective heat
Рабочая камера сушки 1 яруса / Working drying chamber of the 1st tier
Съем влаги W1 / Eating moisture W1.
G2 - масса хмеля после сушки, кг / weight of hops after drying, kg;
w2 - влажность хмеля после сушки / humidity of hops after drying (31-34 %);
T2 - температура хмеля / temperature of hops, °С (35 °С);
С2 - теплоемкость хмеля, кДж/кг-°С / heat capacity of hops, kJ/kg °C
Тепловая пушка 1 яруса / Heat gun of the 1st tier
t1 - температура воздуха / air temperature, °С;
I! - энтальпия воздуха, кДж/кг / air enthalpy, kJ/kg;
х1 - влагосодержание воздуха, кг/кг / air moisture content,
kg/kg;
Q1 - расход теплоты, кДж/ч / heat consumption, kJ/h; Lj - расход воздуха, кг/ч / air consumption, kg/h
Рабочая камера отволаживания и конвективной сушки 2 яруса / Working chamber of cooling and convective drying 2 tiers
Съем влаги W2 / Eating moisture W2.
G3 - масса хмеля после сушки / weight of hops after drying, kg;
w3 - влажность хмеля после сушки / humidity of hops after drying (37-46 %);
T3 - температура хмеля / temperature of hops, °С (40-50 °С);
С3 - теплоемкость хмеля, кДж/кг-°С / heat capacity of hops, kJ/kg °C
Тепловая пушка 2 яруса / Heat gun 2 tiers
f2 - температура воздуха / air temperature, °С;
I2 - энтальпия воздуха, кДж/кг / air enthalpy, kJ/kg;
х2 - влагосодержание воздуха, кг/кг / air moisture content,
kg/kg;
Q2 - расход теплоты, кДж/ч / heat consumption, kJ/h; L2 - расход воздуха, кг/ч / air consumption, kg/h
Рабочая камера сушки 3 яруса / Working drying chamber of 3 tiers
Съем влаги W3 / Eating moisture W2.
G4 - масса хмеля после сушки / weight of hops after drying, kg;
w4 - влажность хмеля после сушки / humidity of hops after drying (10-12 %);
T4 - температура хмеля / temperature of hops, оС (65-75 °С)
Тепловая пушка 3 яруса / Heat gun 2 tiers
f3 - температура воздуха / air temperature, °С;
I2 - энтальпия воздуха, кДж/кг / air enthalpy, kJ/kg;
х2 - влагосодержание воздуха, кг/кг / air moisture content,
kg/kg;
Q2 - расход теплоты, кДж/ч / heat consumption, kJ/h; L2 - расход воздуха, кг/ч / air consumption, kg/h
Рис. 5. Схема хмелесушилки с параметрами конвективного тепла Fig. 5. Scheme of a hop dryer with convective heat parameters Источник: разработано авторами
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
1. Журавлев А. В., Казарцев Д. А., Юрова И. С. Разработка конструкции вихревой сушильной камеры с СВЧ-энергоподводом // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания. 2014. № 4. С. 68-74.
2. Пестова Л. П., Виневский Е. И., Чернов А. В. Совершенствование комбинированного способа сушки листьев табака на основе применения СВЧ-излучений // Сборник научных трудов Всероссийского научно-исследовательского института табака, махорки и табачных изделий. 2019. № 182. С. 317-323.
3. Пестова Л. П. и др. Способы интенсификации тепло-и массопереноса при сушке табака // Инновационные исследования и разработки для научного обеспечения производства и хранения экологически безопасной сельскохозяйственной и пищевой продукции. 2017. С. 330-334.
4. Хасанов А. С. Анализ электромагнитных полей с использованием среды CST Microwave Studio // XXII Туполевские чтения (Школа молодых ученых). 2015. С. 808-810.
5. Бибик Г. А. Патент № 2654805 РФ, МПК F26B 15/04. Карусельная зерносушилка / Опубликовано 22.05.2018.
6. Prosviryakova M. V, Storchevoy V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V. Continuous-flow hop dryer with endogenous convection heat producers // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled. 2022. Iss. 1052(1). 012141.
7. Ziganshin B. G, Shogenov Yu. Kh., Mikhailova O. V., Tikhonov A. A. at all. Modular microwave installation for heat treatment of raw materials of agricultural enterprises // BIO Web of Conferences (FIES 2022). 2022. Iss. 52. 00047.
8. Zaitsev S. P., Belov E. L. at all. Development of microwave devices with toroidal resonators for treatment of raw materials // Journal of Environmental Treatment Techniques. 2019. Iss. 7. P. 1215-1223.
9. Mikhailova O. V. at all. Mathematical model of colostrum defrosting in super-high-frequency generator equipped // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled. 2021. V. 935 (1). 012027.
10. Курушин А. А., Пластиков А. Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М. : МЭИ, 2011. 155 с.
11. Фатеев А. В. Применение по CST Microwave Studio для расчета микроволновых антенн и устройств СВЧ. Учебное пособие. Томск, 2014. 120 с.
12. Дерачиц Д. С., Кисель Н. Н. Грищенко С. Г. Моделирование на базе САПР CST Microwave Studio фильтра высоких частот // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3 (164). С. 257-265.
13. Сивяков Б. К., Григорьян С. В. Математическое моделирование многоволновой СВЧ установки для сушки продуктов // Вопросы электротехнологии. 2019. № 4 (25). С. 5-11.
14. Падусова Е. В., Шарангович С. И. Расчет диэлектрических волноводов и объемных резонаторов. Томск : 2018. 103 с.
15. Баскаков С. И. Электродинамика и распространение радиоволн : учебное пособие. М. : URSS. 2012.
На примере двух хмелесушилок с разными конструкционными исполнениями резонаторов с использованием роторов (карусели) с керамическими отсеками и спиральных шнеков показана возможность повышения эффективности СВЧ-конвективной хмелесушилки с точки зрения равномерности сушки свежеубранного хмеля, энергосбережения и обеспечения электромагнитной безопасности, управляя конфигурацией и комплектацией резонаторов. Равномерность сушки обеспечивается поддержанием толщины сырья, равным двум глубинам проникновения волны сантиметрового диапазона при непрерывном режиме работы. Сушка
Заключение
эффективнее в керамических отсеках ротора, размеры которых согласованы глубиной проникновения волны в сырье. Использование металлодиэлектри-ческих резонаторов с керамическими отсеками, обладающими малыми диэлектрическими потерями, уменьшает потери на излучение. Обеспечение скважности процесса 0,5 для отволаживания хмеля возможно не только при последовательном (рис. 1) расположении резонаторов, но и поярусном (рис. 2) при чередовании с камерой без СВЧ-источников. Режимы в каждом этапе сушки следует оптимизировать по параметрам конвективного тепла и СВЧ-генераторов в зависимости от исходной влажности хмеля, влажности и температуры воздуха.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
416 с.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 2 (141). C. 35-46. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 2 (141). P. 35-46. ISSN 2227-9407 (Print)
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^ё
electrical technologies, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
16. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М. : Высш. школа, 2005. 462 с.
17. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны : Учебное пособие. М. : РИОР: ИНФРА-М, 2014. 375 с.
18. Кошевой Е. П. Технологическое оборудование предприятий производства растительных масел. СПб. : ГИОРД, 2001. 368 с.
19. Казарцев Д. А. Разработка общих видов математических моделей сушки пищевых продуктов с СВЧ энергоподводом на основе законов химической кинетики гетерогенных процессов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2021. Т. 83. № 3. С. 17-22. http://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-3-17-22.
20. Доценко А. В. Оптимизация параметров установки СВЧ-диэлектрического нагрева, работающий в периодическом режиме // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2006. № 40. С. 136-138.
21. Хлебова Л. П., Бровко Е. С., Бычкова О. В., Мироненко О. В., Барышева Н. В. Распространенность вирусов в производственных насаждениях хмеля в предгорье Алтая // Достижения науки и техники АПК. 2022. Т. 36. № 12. С. 35-39.
Статья поступила в редакцию 15.11.2022; одобрена после рецензирования 19.12.2022;
принята к публикации 21.12 .2022.
Информация об авторах: М. В. Просвирякова - д.т.н., доцент, Spin-код: 5642-4560; Н. Г. Горячева - к.т.н., доцент, Spin-код: 3349-8842; О. В. Михайлова - д.т.н., профессор, Spin-код: 9437-0417; Г. В. Новикова - д.т.н., профессор, Spin-код: 3317-5336; В. Ф. Сторчевой - д.т.н., профессор, Spin-код: 3543-7363; Н. Ю. Криштопа - к.т.н., доцент, Spin-код: 3244-4155.
Заявленный вклад авторов: Просвирякова М. В. - составление блок-схемы хмелесушилки с параметрами конвективного тепла. Горячева Н. Г. - формулирование основной концепции исследования и выводов.
Михайлова О. В. - построение 3Б-моделей хмелесушилок, описание СВЧ-конвективных хмелесушилок. Новикова Г. В. - работа над составлением концепция повышения эффективности хмелесушилки средствами управления конфигурацией и комплектацией резонаторов.
Сторчевой В. Ф. - обоснование электродинамических параметров системы «генератор-резонатор», работа над текстом статьи.
Криштопа Н. Ю. - сбор и обработка материалов, проведение анализа замедляющих систем. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Zhuravlev A. V., Kazarcev D. A., Yurova I. S. Razrabotka konstrukcii vihrevoj sushil'noj kamery s SVCH-energopodvodom [Development of the design of a vortex drying chamber with a microwave power supply], Tekhnologii pishchevoj i pererabatyvayushchej promyshlennosti APK-produkty zdorovogo pitaniya [Technologies of the food and processing industry of the agroindustrial complex-healthy food products], 2014, No. 4, pp. 68-74.
2. Pestova L. P., Vinevskij E. I., Chernov A. V. Sovershenstvovanie kombinirovannogo sposoba sushki list'ev tabaka na osnove primeneniya SVCH-izluchenij [Improvement of the combined method of drying tobacco leaves based on the use of microwave radiation], Sbornik nauchnyh trudov Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo insti-tuta tabaka, mahorki i tabachnyh izdelij [Collection of scientific papers of the All-Russian Scientific Research Institute of Tobacco, shag and Tobacco Products], 2019, No. 182, pp. 317-323.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
3. Pestova L. P. i dr. Sposoby intensifikacii teplo-i massoperenosa pri sushke tabaka [Methods of intensification of heat and mass transfer during tobacco drying], Innovaci-onnye issledovaniya i razrabotki dlya nauchnogo obespecheniya proizvodstva i hraneniya ekologicheski bezopas-noj sel'skohozyajstvennoj i pishchevoj produkcii [Innovative research and development for scientific support of production and storage of environmentally safe agricultural and food products], 2017, pp. 330-334.
4. Hasanov A. S. Analiz elektromagnitnyh polej s ispol'zovaniem sredy CST Microwave Studio [Analysis of electromagnetic fields using the medium CST Microwave Studio], XXII Tupolevskie chteniya (SHkola molodyh uchenyh) [XXII Tupolev readings], 2015, pp. 808-810.
5. Bibik G. A. Patent No. 2654805 RF, MPK F26V 15/04. Karusel'naya zernosushilka [Carousel grain dryer], Publ. 22.05.2018.
6. Prosviryakova M. V., Storchevoy V. F., Goryacheva N. G., Novikova G. V. Continuous-flow hop dryer with endogenous convection heat producers, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled, 2022, Iss. 1052 (1), 012141.
7. Ziganshin B. G., Shogenov Yu. Kh., Mikhailova O. V., Tikhonov A. A. at all. Modular microwave installation for heat treatment of raw materials of agricultural enterprises, BIO Web of Conferences (FIES 2022), 2022, Iss. 52, 00047.
8. Zaitsev S. P., Belov E. L. at all. Development of microwave devices with toroidal resonators for treatment of raw materials, Journal of Environmental Treatment Techniques, 2019, Iss. 7, pp. 1215-1223.
9. Mikhailova O. V. at all. Mathematical model of colostrum defrosting in super-high-frequency generator equipped, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science this link is disabled, 2021, Vol. 935 (1), 012027.
10. Kurushin A. A., Plastikov A. N. Proektirovanie SVCH ustrojstv v srede CST Microwave Studio [Designing microwave devices in the CST Microwave Studio environment], Moscow: MEI, 2011, 155 p.
11. Fateev A. V. Primenenie po CST Microwave Studio dlya rascheta mikrovolnovyh antenn i ustrojstv SVCH [Application of CST Microwave Studio software for the calculation of microwave antennas and microwave devices], Study guide, Tomsk, 2014, 120 p.
12. Derachic D. S., Kisel' N. N. Grishchenko S. G. Modelirovanie na baze SAPR CST Microwave Studio fil'tra vysokih chastot [Modeling based on CAD CST Microwave Studio high-pass filter], Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki [News of SFU. Technical sciences], 2015, No. 3 (164), pp. 257-265.
13. Sivyakov B. K., Grigor'yan S. V. Matematicheskoe modelirovanie mnogovolnovoj SVCH ustanovki dlya sushki produktov [Mathematical modeling of a multi-wave microwave installation for drying products], Voprosy el-ektrotekhnologii [Questions of Electrotechnology], 2019, No. 4 (25), pp. 5-11.
14. Padusova E. V., Sharangovich S. I. Raschet dielektricheskih volnovodov i ob"emnyh rezonatorov [Calculation of dielectric waveguides and volumetric resonators], Tomsk : 2018, 103 p.
15. Baskakov S. I. Elektrodinamika i rasprostraneniya radiovoln [Electrodynamics and propagation of radio waves], textbook, Moscow: URSS. 2012. 416 p.
16. Baskakov S. I. Radiotekhnicheskie cepi i signaly [Radio engineering circuits and signals], Moscow: Vyssh. shkola, 2005, 462 p.
17. Strekalov A. V., Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves], Textbook, Moscow: RIOR: INFRA-M, 2014, 375 p.
18. Koshevoj E. P. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatij proizvodstva rastitel'nyh masel [Technological equipment of vegetable oil production enterprises], Saint-Petersburg: GIORD, 2001. 368 p.
19. Kazarcev D. A. Razrabotka obshchih vidov matematicheskih modelej sushki pishchevyh produktov s SVCH energopodvodom na osnove zakonov himicheskoj kinetiki geterogennyh processov [Development of general types of mathematical models of food drying with microwave power supply based on the laws of chemical kinetics of heterogeneous processes], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tekhnologij [Bulletin of Voronezh State University of Engineering Technologies], 2021, Vol. 83, No. 3, pp. 17-22. http://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-3-17-22.
20. Docenko A. V. Optimizaciya parametrov ustanovki SVCH-dielektricheskogo nagreva, rabotayushchij v pe-riodicheskom rezhime [Optimization of parameters of a microwave dielectric heating installation operating in a peri-
Вестник НГИЭИ. 2023. № 2 (141). C. 35-46. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 2 (141). P. 35-46. ISSN 2227-9407 (Print)
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^ё
electrical technologies, electrical equipment
XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
odic mode], Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Bulletin of the Samara State Technical University. Series: Technical Sciences], 2006, No. 40, pp. 136-138.
21. Hlebova L. P., Brovko E. S., Bychkova O. V., Mironenko O. V., Barysheva N. V. Rasprostranennost' vi-rusov v proizvodstvennyh nasazhdeniyah hmelya v predgor'e Altaya [The prevalence of viruses in industrial hop plantations in the foothills of Altai] Dostizheniya nauki i tekhniki APK [Achievements of science and technology of agricultureI, 2022, Vol. 36, No. 12, pp. 35-39.
The article was submitted 15.11.2022; approved after reviewing 19.12.2022; accepted for publication 21.12.2022.
Information about the authors: M. V. Prosviryakova - Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Spin-code: 5642-4560; N. G. Goryacheva - Ph. D. (Engineering), associate Professor, Spin-код: 3349-8842; O. V. Mikhailova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 9437-0417; G. V. Novikova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 3317-5336; V. F. Storchevoy - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Spin-code: 3543-7363; N. Yu. Krishtopa - Ph. D. (Engineering), associate Professor, Spin-код: 3244-4155.
The declared contribution of the authors Prosviryakova M. V. - drawing up a block diagram of a hop dryer with convective heat parameters. Goryacheva N. G. - formulation of the main concept of the study and conclusions.
Mikhailova O. V. - construction of 3D models of hop dryers, description of microwave convective hop dryers. Novikova G. V. - work on the compilation of the concept of improving the efficiency of the hop dryer by means of controlling the configuration and configuration of resonators.
Storchevoy V. F. - substantiation of electrodynamic parameters of the «generator-resonator» system, work on the text of the article.
Krishtopa N. Yu. - collection and processing of materials, analysis of retarding systems.
The authors declare that there is no conflict of interest.
