CC BY
22
УДК 621.385.6
РАЗРАБОТКА СВЧ-РАЗМОРАЖИВАТЕЛЯ КОРОВЬЕГО МОЛОЗИВА
И.Г. Ершова, кандидат технических наук Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ Д.А. Тараканов, ст. преподаватель М.В. Белова, доктор технических наук Нижегородский инженерно-экономический университет E-mail: eig85@yandex.ru
Аннотация. На основе анализа электрофизических свойств коровьего молозива при частоте 2450 МГц и в широком диапазоне температур оценены конструкционные параметры объемного резонатора и спроектированы квазистационарный и шнековый резонаторы, удовлетворяющие большинство требований технологии размораживания. Проанализированы электрофизические параметры сырья при частоте 2450 МГц и в широком диапазоне температур. Разработаны два разных конструкционных исполнения СВЧ-размораживателя коровьего молозива: с квазистационарным тороидальным резонатором переменной емкости и со шнековым резонатором. Первая установка для размораживания коровьего молозива содержит вертикально расположенный квазистационарный тороидальный резонатор с прямоугольным сечением тора и конденсаторной частью. Емкость конденсаторной части резонатора представлена промежутком от края основания внутреннего цилиндра до нижнего основания наружного цилиндра. В конденсаторную часть направлены излучатели от магнетронов. Тор образован между коаксиально расположенными неферромагнитными цилиндрами разной высоты и кольцевой неферромагнитной поверхностью. Второе конструкционное исполнение установки предусматривает воздействие ЭМПСВЧ на измельченное замороженное коровье молозиво. Это происходит внутри шнекового транспортера, в меж-витковом пространстве, что резко повышает равномерность нагрева. Для достижения равномерного нагрева сырья его следует измельчить, прежде чем подвергать воздействию ЭМПСВЧ, или подавать порционно, как в первом конструкционном исполнении резонатора. Эффективные конструкционные параметры резонатора должны быть согласованы с глубиной проникновения волны, с учетом диэлектрических характеристик замороженного коровьего молозива. В процессе замораживания сырья величины диэлектрической проницаемости, фактора потерь резко уменьшаются. В интервале температур от 0 до -8°С диэлектрическая проницаемость замороженного коровьего молозива падает с 53 до 7. Ключевые слова: квазистационарный резонатор, шнековый резонатор, замороженное коровье молозива, электрофизические параметры, СВЧ-размораживатель, измельчитель.
Введение. Молозиво собирают в первые двое суток после отела и хранят в замороженном виде. Оно отличается от молока как по составу, так и по внешнему виду: оно более жирное, вязкое и густое; имеет желтый оттенок, солоноватый вкус и другой запах. У них разная калорийность, минеральный и витаминный состав. В нем содержатся [1]:
- вещества, стимулирующие рост тканей, укрепляющие иммунную систему, нормализующие работу кишечно-желудочного тракта, защищающие клетки от действия вируса;
- железосвязанный протеин, препятствующий размножению микроорганизмов и имеющий мощное противовирусное действие;
- иммуноглобулины;
- лизоцимы - антибиотики природного происхождения и т.п.
На ферме с поголовьем в 1000 голов дойного стада достаточно иметь морозильную камеру объемом 250-300 л для поддержания температуры минус 18-23°С. В этих условиях молозиво хранится до 8 месяцев, а размораживают его партиями при температуре 35-38°С. Сырье размораживают перед кормлением телят, но этот процесс длительный, например, молозиво в 1,5-литровой бутылке при комнатной температуре размораживается в течение 1,5-2 часа. Известны размораживатели молозива РМ-3, позволяющие в течение 40 мин. разморозить три двухлитровые бутылки равномерно, без подгорания и
нарушения структуры иммуноглобулинов, для выпойки новорожденных телят. Имеется размораживатель молозива Иглус-2. Есть баня молозива БМ-40. Все это оборудование работает по принципу водяной бани за счет нагрева воды с помощью трубчатого электронагревателя. В емкости с водой имеется вращающееся устройство, где фиксируют бутылки с сырьем. Оборудование работает в периодическом режиме с малой производительностью, большим расходом горячей воды и высокими энергетическими затратами. Также известны установки для термообработки сельскохозяйственного сырья воздействием электромагнитного поля СВЧ [7,8,9].
Имеется СВЧ-размораживатель сырья в сосуде, содержащий цилиндрический резонатор, систему подвода СВЧ-энергии к резонатору в виде двух Г-образных излучателей в прямоугольных волноводах разной длины. Причем излучатели расположены под углом 90° друг к другу (патент 1830197А3) [2]. На дне резонатора смонтирован поворотный механизм со столом для размещения сосуда с замороженной жидкостью (бутыль). СВЧ-энергия через делитель мощности, волноводы и открытые пазы подается в резонатор. За счет подачи СВЧ-энергии в каждую зону вращающегося сосуда путем использования разной длины плеч излучателей и коротко замыкающих штырей, сырье равномерно нагревается.
Авторы считают, что располагая излучатели под углом 90°, можно обеспечить взаимно перпендикулярную поляризацию волн с плотностью потока энергии, увеличивающейся к центру. Но это не полностью исключает плавление наружного слоя, поэтому все же сырье в центре сосуда при такой глубине проникновении сантиметровых волн долго размораживается, так как центральная область сырья заэкранирована растопленной жидкостью.
Целью работы является разработка установок для равномерного размораживания коровьего молозива при низких эксплуатационных затратах путем воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на замороженное сырье в резонаторах, обес-
печивающих непрерывный режим работы и электромагнитную безопасность.
Материалы и методы. На основе анализа электрофизических свойств коровьего молозива при частоте 2450 МГц и в широком диапазоне температур оценены конструкционные параметры объемного резонатора и спроектированы квазистационарный и шне-ковый резонаторы, удовлетворяющие большинство требований технологии размораживания.
Результаты и обсуждения. Нами разработаны два разных конструкционных исполнения СВЧ-размораживателя коровьего молозива: с квазистационарным тороидальным резонатором переменной емкости и со шне-ковым резонатором. Но вначале проанализированы электрофизические параметры сырья при частоте 2450 МГц и в широком диапазоне температур (рис. 1).
Поведение в ЭМП такого сложного сырья, как коровье молозиво, становится более ясным только в результате анализа диэлектрических свойств. При разработке технологического процесса размораживания коровье молозиво и моделей взаимодействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты с сырьем необходимо знать его электрофизические свойства в широком диапазоне температур. Поэтому нами анализированы диэлектрические параметры сырья, систематизированные по данным Рогова И.А. [3].
В процессе размораживания сырья в ЭМПСВЧ его диэлектрические характеристики меняются из-за изменения плотности и форм связи влаги. Максимальных значений диэлектрические характеристики замороженного коровьего молозива достигают при температуре 0-2°С (рис. 1).
В процессе замораживания величины диэлектрической проницаемости, фактора потерь резко уменьшаются. В интервале температур от 0 до -8°С диэлектрическая проницаемость замороженного коровьего молозива падает с 53 до 7. В результате системного анализа разработок [4-6] на основе микроволновых технологий переработки сельскохозяйственного сырья предложены две установки.
Лоигпа! оГ УШТ^Н №1(33)-2019
179
-10 -5 0 Температура, С
Рис. 1. Диэлектрические характеристики коровьего молозива с жирностью 6,4% при изменении температуры от -25° до +20°С: 1 - диэлектрическая проницаемость; 2 - фактор потерь
Разработанная первая микроволновая установка (рис. 2) для размораживания коровьего молозива содержит вертикально расположенный квазистационарный тороидальный резонатор с прямоугольным сечением тора и конденсаторной частью.
Емкость конденсаторной части резонатор представлена промежутком от края основания внутреннего цилиндра до нижнего основания наружного цилиндра размером меньше, чем расстояние между боковыми поверхностями цилиндров (рис. 2). Тор образован между коаксиально расположенными неферромагнитными цилиндрами разной высоты и кольцевой неферромагнитной поверхностью. Основанием внутреннего цилиндра служит передвижной неферромагнитный диск. В конденсаторную часть направлены излучатели от магнетронов, расположенных с наружной стороны наружного цилиндра, имеющего на боковой поверхности прорезь для диэлектрического круглого лотка с бортами, вращающегося с помощью электродвигателя и расположенного асимметрично оси цилиндра. Средний периметр кольцевого пространства и диаметр диска-основания должны быть кратны половине длины волны, а прорезь - менее, чем четверть длины волны. При этом важно обеспечивать надежность работы установки и проводить автоматизацию измерений при контроле качества запасных частей сельскохозяйственной техники [10].
Рис. 2. Микроволновая установка для размораживания коровьего молозива:
1 - магнетроны от СВЧ-генераторов; 2 - цилиндр внутренний неферромагнитный без оснований; 3 - цилиндр наружный неферромагнитный с нижним перфорированным основанием; 4 - передвижной неферромагнитный диск-основание; 5 - верхнее основание наружного цилиндра в виде кольцевой поверхности; 6 - лоток круглый диэлектрический перфорированный с бортами; 7 - вал для электропривода лотка; 8 - сливной патрубок;
9 - выпуклое дно установки
Вторая микроволновая установка (рис. 3) содержит загрузочную емкость 4, внутри которой расположен вал с дисковыми фрезами 5 для предварительного измельчения замороженного сырья. Измельченное замороженное коровье молозиво передвигается через наклонно расположенный цилиндрический экранирующий корпус 1 с помощью шнека 3, т.е. предлагается совмещать процессы транспортирования измельченного сырья с помощью шнека и размораживания за счет микроволновой технологии в установке.
При измельчении замороженного молозива увеличивается поверхность теплообмена, что согласуется с глубиной проникновения ЭМПСВЧ. Это обеспечивает равномерность диэлектрического нагрева измельченного замороженного коровьего молозива. С одной стороны экранирующего корпуса прикреплена загрузочная емкость 4. Магнетроны 2 от сверхвысокочастотных генераторов расположены равномерно вдоль образующей экранирующего корпуса. В загрузочной емкости расположены дисковые фрезы 6 на одном валу 5.
Рис. 3. Сверхвысокочастотная установка для размораживания коровьего молозива в непрерывном режиме: 1 - экранирующий корпус; 2 - магнетроны; 3 - шнек; 4 - загрузочная емкость; вал измельчителя;
6 - дисковые фрезы; 7 - сливной патрубок
Технологический процесс размораживания коровьего молозива в непрерывном режиме происходит следующим образом. Подать напряжение на электропривод шнека 3. Далее включить электропривод дисковых фрез 6. Замороженное сырье измельчается и попадает в межвитковое пространство шнека. Масса сырья в каждом межвитковом пространстве в пределах 0,2.. .0,5 кг. По мере заполнения межвиткового пространства шнека измельченным сырьем последовательно включить сверхвысокочастотные генераторы 2. При этом измельченное сырье подвергается воздействию ЭМПСВЧ и нагревается. Размороженное сырье является жидко-вязким продуктом, резкий нагрев его внутренних слоев приводит к превращению внутренней влаги в пар, который, расширяясь, образует пузырьки. Винтовые поверхности шнека являются стенками малых резонаторных камер. По мере перемещения витков шнека 3 сырье нагревается до 35-38оС.
Предварительные исследования показывают, что конечный продукт обладает хорошими органолептическими и микробиологическими показателями. Количество СВЧ-ге-нераторов влияет на производительность установки. Режимы обработки зависят от жирности и от электрофизических параметров сырья замороженного коровьего молозива.
Выводы. Для достижения равномерного нагрева сырья его следует измельчить, прежде чем прежде подвергать воздействию ЭМПСВЧ, или подавать порционно, как в первом конструкционном исполнении резо-
натора. Эффективные конструкционные параметры резонатора должны быть согласованы с глубиной проникновения волны с учетом диэлектрических характеристик замороженного коровьего молозива. В процессе замораживания сырья величины диэлектрической проницаемости, фактора потерь резко уменьшаются. В интервале температур от 0 до - 8°С диэлектрическая проницаемость замороженного коровьего молозива падает с 53 до 7.
Литература:
1. https://www.syl.ru/article/314670/molozivo —etokoro-ve-molozivo-kak-gotovit-molozivo
2. Пат. 4881731/09 РФ. СВЧ-размораживатель / В.Н. Удалов и др. Заяв. 16.11.90; Опубл. 23.07.93
3. Рогов И.А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М., 1981.
4. Пат. 2010101203 РФ. Установка для диатермической обработки измельченного сырья / Г.В. Новикова и др. Заяв. 15.01.10; Опубл. 20.01.11
5. Пат. 2565227 РФ. Сублиматор с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженной продукции / М.В. Белова и др. Заяв. 12.05.14; Опубл. 20.10.15
6. Пат. 2592861 РФ. Сверхвысокочастотная установка для термообработки сырья в оболочках / М.В. Белова и др. Заяв. 28.04.15; Опубл. 06.06.16
7. Установка для вытопки жира / Г.В. Новикова и др. // Естественные и технические науки. 2015. № 6.
8. Пат. 138199 РФ. Ультрафиолетовая сверхвысокочастотная установка / М.С. Боровков и др. Заяв. 04.06.13; Опубл. 10.09.13
9. Установка для термообработки жиросодержащего сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты / Г.В. Новикова и др. // Естественные и технические науки. 2015. № 1. С. 129-130.
10. Дорохов А.С. Автоматизация измерений при контроле качества запасных частей с.-х. техники // Сб. науч. докл. ВИМ. Т. 2. М., 2010. С. 448-457.
Literatura:
1. https://www.syl.ru/article/314670/molozivo—etokoro-ve-molozivo-kak-gotovit-molozivo
2. Pat. 4881731/09 RF. SVCH-razmorazhivatel' / V.N. Udalov i dr. Zayav. 16.11.90; Opubl. 23.07.93
3. Rogov I.A. EHlektrofizicheskie, opticheskie i akustic-heskie harakteristiki pishchevyh produktov. M., 1981.
4. Pat. 2010101203 RF. Ustanovka dlya diatermicheskoj obrabotki izmel'chennogo syr'ya / G.V. Novikova i dr. Zayav. 15.01.10; Opubl. 20.01.11
5. Pat. 2565227 RF. Sublimator s sverhvysokochastotnym generatorom dlya sushki zamorozhennoj produkcii / M.V. Belova i dr. Zayav. 12.05.14; Opubl. 20.10.15
6. Pat. 2592861 RF. Sverhvysokochastotnaya ustanovka dlya termoobrabotki syr'ya v obolochkah / M.V. Belova i dr. Zayav. 28.04.15; Opubl. 06.06.16
Journal of VNIIMZH №1(33)-2019
181
7. Ustanovka dlya vytopki zhira / G.V. Novikova i dr. // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. № 6.
8. Pat. 138199 RF. Ul'trafioletovaya sverhvysokochastot-naya ustanovka / M.S. Borovkov i dr. Zayav. 04.06.13; Opubl. 10.09.13
9. Ustanovka dlya termoobrabotki zhirosoderzhashchego
syr'ya v ehlektromagnitnom pole sverhvysokoj chastoty / G.V. Novikova i dr. // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. № 1. S. 129-130.
10. Dorohov A.S. Avtomatizaciya izmerenij pri kontrole kachestva zapasnyh chastej s.-h. tekhniki // Sb. nauch. dokl. VIM. T. 2. M., 2010. S. 448-457.
THE DEVELOPMENT OF COW'S COLOSTRUM SWCh MICROWAVE- DEFROSTER I.G. Ershova, candidate of technical sciences Federal research agroengineering centre VIM D.A. Tarakanov, main senior M.V. Belova, doctor of technical sciences Nizhny Novgorod engineering-and-economical university
Abstract. Based on the cow colostrum's electrophysical properties analysis at 2450 MHz frequency and in a wide temperatures' diapason, the volume resonator's design parameters are estimated and quasi-stationary and screw resonators satisfied the most defrosting technology requi-rements are constructed. The raw materials' electrophysical parameters at 2450 MHz frequency and in a wide temperatures' diapason are analyzed. Two different designs' variants of the cow colostrum SWCh microwave - defroster are developed: with a quasi-stationary toroidal resonator of variable capacity and with a screw resonator one. The first installations for cow colostrum defrosting contains a vertically arranged quasi-stationary toroidal resonator with a torus's rectangular cross section and the condenser part. The resonator's condenser part capacity is represented by the gap from the inner cylinder's base edge till the lower base of the outer cylinder. In the condenser part the magnetrons' emitters are directed. The torus is formed between coaxially located non-ferromagnetic cylinders of different heights and an annular non-ferromagnetic surface. The installation's second construction provides the EMPSWCh impact on frozen cow colostrum's chopping. This occurs screw conveyor's inside, in the interturn space, that sharply increases the heating's uniformity. To achieve raw material uniform heating it should be crushed before being subjected to the EMPSWCh influence or be given by portions as in the resonator's first structural variant constructing. The resonator's effective design parameters they should be consistent with the wave penetration's depth, taking into account the dielectric characteristics of the frozen cow colostrum. In the raw material's freezing process the dielectric permittivity values, factor of losses are sharply reduced. In the temperatures' interval from 0 till -8°C, the dielectric permittivity of frozen cow colostrum drops from 53 till 7.
Keywords: quasi-stationary resonator, screw resonator, frozen cow colostrum, electrophysical parameters, SWCh microwave - defroster, chopper.
