Разработка СВЧ-установки с коаксиальным резонатором для термообработки с обеззараживанием вторичного мясного сырья в непрерывном режиме Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX

XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX

Научная статья УДК 621

DOI: 10.24412/2227-9407-2024-11-45-57 END: UOPIWB

Разработка СВЧ-установки с коаксиальным резонатором для термообработки с обеззараживанием вторичного мясного сырья в непрерывном режиме

Евгений Викторович Воронов113, Галина Владимировна Новикова2

12Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия 1 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9867-5860 2NovikovaGalinaV@yandex. ru, https://orcid. org/0000-0001-9222-6450

Аннотация

Введение. Создание рациональной конструкции СВЧ-установки для термообработки слизистых субпродуктов жвачных животных в условиях фермерских хозяйств, отвечающей требованиям, предъявляемым к качеству продукта, актуально.

Материалы и методы. При расчете режимов термообработки учитывали изменения диэлектрических характеристик сырья от влажности, температуры, жирности, концентрации соли, плотности при частоте 2450 МГц. От этих факторов, описанных полиномами второго порядка, зависит эффективная доза воздействия ЭМПСВЧ на сырье. Получены регрессионные модели изменения диэлектрических параметров от температуры, влажности и жирности при содержании соли 2,5-3 % и плотности сырья 1 г/см3. Цифровое моделирование электродинамических параметров проведено в программе CST Microwave Studio 2018.

Результаты и обсуждение. Применение СВЧ-установки непрерывно-поточного действия позволяет существенно поднять ее производительность, но для сохранения качества продукции необходимо обеспечить нагрев влажного сырья в объемном резонаторе равномерно и без электрического пробоя, упростить экранирующую конструкцию. Эти недостатки предлагается устранить, применив замедляющую гребенчатую структуру в виде неферромагнитного винтового шнека, который поддерживает в коаксиальном резонаторе режим бегущей волны, уменьшает опасность пробоя при его расположении в керамической перфорированной обечайке. СВЧ-установка содержит коаксиальный резонатор, представленный в виде соосно установленного цилиндра и электроприводного неферромагнитного винтового шнека. Шаг винта равен двум глубинам проникновения волны, толщина винта меньше величины шага, а высота винта равна четверти длины волны. Винтовой шнек соосно расположен в керамической перфорированной цилиндрической обечайке. Отношение радиусов цилиндра и винтового шнека равно 3,6, а диаметр и длина наружного цилиндра в 5 и 7 раз превышают длину волны соответственно. На цилиндре расположены магнетроны. На внутренней поверхности цилиндра установлены неферромагнитные коронирующие иглы, под которыми расположены лампы, запитанные от импульсно-модулированных высокочастотных колебаний. В такой конструкции, где транспортирование сырья вдоль коаксиального резонатора происходит в винтовом шнеке, выполняющем функцию замедляющей гребенчатой структуры, представленной как цепочка связанных резонаторов малого объема, возбуждается высокая напряженность электрического поля внутри керамической перфорированной обечайки, исключается неравномерное выделение тепла по сечению сырья.

Заключение. Эффективные режимы: производительность установки 20-22 кг/ч, общая мощность установки 5 кВт, энергетические затраты на технологический процесс 0,23-0,25 кВтч/кг.

© Воронов Е. В., Новикова Г. В., 2024

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.

Вестник НГИЭИ. 2024. № 1 (162). C. 45-57. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 11 (162). P. 45-57. ISSN 2227-9407 (Print)

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^ё

lyvmlvmiii^ electrical technologies, electrical equipment

xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_

Ключевые слова: винтовой шнек, гребенчатая замедляющая структура, керамическая перфорированная обечайка, диэлектрические параметры, регрессионные модели, слизистые субпродукты

Для цитирования: Воронов Е. В., Новикова Г. В. Разработка СВЧ-установки с коаксиальным резонатором для термообработки с обеззараживанием вторичного мясного сырья в непрерывном режиме // Вестник НГИЭИ. 2024. № 11 (162). С. 45-57. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-11-45-57. EDN: UOPIWB.

Development of a microwave installation with a coaxial resonator for heat treatment with disinfection of secondary meat raw materials in a continuous mode

Evgeny V. Voronov1B, Galina V. Novikova

12 Nizhny Novgorod State Engineering and Economics University, Knyaginino, Russia 1 [email protected]', https://orcid.org/0000-0002-9867-5860 2NovikovaGalinaV@yandex. ru, https://orcid. org/0000-0001-9222-6450

Abstract

Introduction. The creation of a rational design of a microwave installation for the thermal treatment of viscera of ruminant animals under farm conditions, which meets the requirements for product quality, is relevant. Materials and methods. When calculating the thermal treatment modes, changes in the dielectric characteristics of the raw material due to moisture, temperature, fat content, salt concentration, and density at a frequency of 2450 MHz were taken into account. The effective dose of microwave electromagnetic field impact on the raw material depends on these factors, which are described by second-order polynomials. Regression models for the variation of dielectric parameters with temperature, humidity, and fat content at a salt concentration of 2.5-3 % and a raw material density of 1 g/cm3 were obtained. Numerical modeling of the electrodynamic parameters was carried out using CST Microwave Studio 2018.

Results and discussion. The use of a continuously operating microwave installation allows for a significant increase in productivity. However, to maintain product quality, it is necessary to ensure even heating of damp raw material in the volumetric resonator without electrical breakdown and to simplify the shielding structure. It is proposed to eliminate these shortcomings by using a slowing comb structure in the form of a non-ferromagnetic screw conveyor, which supports a traveling wave mode in the coaxial resonator, reducing the risk of breakdown when placed in a ceramic perforated shell. The microwave installation contains a coaxial resonator presented as a coaxially installed cylinder and an electric drive non-ferromagnetic screw conveyor. The screw pitch is equal to two skin depths, the thickness of the screw is less than the pitch size, and the height of the screw is equal to a quarter of the wavelength. The screw conveyor is coaxially located within the ceramic perforated cylindrical shell. The ratio of the radii of the cylinder and the screw conveyor is 3.6, and the diameter and length of the outer cylinder exceed the wavelength by 5 and 7 times, respectively. Magnetrons are located on the cylinder. Non-ferromagnetic corona needles are installed on the inner surface of the cylinder, under which lamps powered by pulse-modulated high-frequency oscillations are located. In this design, where raw material is transported along the coaxial resonator via the screw conveyor, which functions as a slowing comb structure presented as a chain of interconnected small-volume resonators, a high electric field intensity is generated inside the ceramic perforated shell, eliminating uneven heat generation across the cross-section of the raw material.

Conclusion. Effective modes: installation productivity of 20-22 kg/h, total power of the installation 5 kW, energy costs for the technological process 0.23-0.25 kWh/kg.

Keywords: screw auger, comb-like retarding structure, ceramic perforated shell, dielectric parameters, regression models, mucous by-products

For citation: Voronov E. V., Novikova G. V. Development of a microwave installation with a coaxial resonator for heat treatment with disinfection of secondary meat raw materials in a continuous mode // Bulletin NGIEI. 2024. № 11 (162). P. 45-57. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-11-45-57. EDN: UOPIWB.

электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'

Введение

Известно, что сохраняемость всех ценных веществ в сырье в процессе его переработки в условиях фермерских хозяйств остается важной проблемой. Термообработка мясного сырья осуществляется с использованием разных вариантов машин и аппаратов. Оценить их следует не только по производительности и надежности, но и по качеству потребительских свойств, например, для плавления жи-ромассы используют два последовательно расположенных шнековых плавителя [1, с. 332]. Каждый из них состоит из цилиндрического корпуса, снабженного паровой рубашкой и патрубком для подачи пара, загрузочного бункера и шнекового барабана, который приводится во вращение от электродвигателя, с частотой 4,0 1/с. Жиромасса нагревается в первом плавителе до 70 °С, а во втором - до 90 °С. При таком способе термообработки жиросодержа-щих мясных конфискатов следует проводить раз-варку и стерилизацию при температуре 125 °С в течение 1 ч [1, с. 322]. Известно, что удельная теплота не зависит от способа подвода энергии, но продолжительность достижения необходимых температур в продукте определяется видом подвода энергии. Длительный контакт сырья с паровой рубашкой снижает потребительские свойства жира и шквары. Поэтому для ускорения процесса термообработки сырья следует реализовать диэлектрический нагрев воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) при высокой напряженности электрического поля (боле 1,2 кВ/см).

Наиболее близким устройством по совокупности существенных признаков является СВЧ-установка с диафрагмированным резонатором для термообработки некондиционного вторичного мясного сырья [2]. В диафрагмированном резонаторе электрическое поле СВЧ в основном сосредоточено в зазорах между диафрагмами, а внутри пролетных труб ЭМПСВЧ практически отсутствует. Между диафрагмами образованы отдельные резонаторные камеры. По такой системе СВЧ-энергия распространяется от диафрагм к отдельным резонаторам через окна связи в диафрагмах. Цилиндрический диафрагмированный резонатор с электрогазоразрядными лампами в кольцевых объемах обеспечивает распределение ЭМПСВЧ между диафрагмами. Каждая диафрагма представлена в виде соосно расположенных наружной трубы с коронирующими иглами и внутренней пролетной трубы. Установка позволяет осуществить равномерную термообра-

ботку сырья в непрерывном режиме, обеззараживать кормовой продукт и нейтрализовать неприятный запах путем комплексного воздействия ЭМПСВЧ, озона. При этом конструкция очень сложная и требует четкого согласования всех его размеров с глубиной проникновения волны и длиной волны. Есть и другие конструкции, реализующие технологию термообработки разного вида сырья [3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12]. В них не в полной мере освещены возможности обеспечения высокой напряженности электрического поля в сырье.

Известны замедляющие гребенчатые структуры [13, с. 98; 14, с. 16] как электродинамические замедляющие системы. В них длина волны ЭМП значительно меньше, чем длина волны в свободном пространстве. На единицу длины замедляющей гребенчатой структуры приходится большее число длин волн, чем в обычных резонаторах, соответственно большая плотность энергии ЭМП. Поэтому в резонаторах с замедляющей гребенчатой структурой эффект нагрева сырья больше [15, с. 331-332].

Научная задача - разработать радиогерметичную СВЧ-установку с коаксиальным резонатором, содержащим вместо центрального цилиндра неферромагнитный электроприводной винтовой шнек с шагом, толщиной и высотой винта согласованными с глубиной проникновения бегущей волны в сырье, выполняющим функцию гребенчатой замедляющей структуры, обеспечивающим равномерный нагрев и обеззараживание при высокой напряженности электрического поля в сырье. Коронный разряд между электрогазоразрядными лампами, запитанными от источников импульсно-модулированных высокочастотных колебаний, и неферромагнитными коронирующими иглами озонирует и обеспечивает нейтрализацию неприятного запаха вторичного мясного сырья.

Материалы и методы

При расчете режимов термообработки следует учитывать изменения диэлектрических характеристик слизистых субпродуктов от влажности, температуры, жирности, концентрации соли, плотности измельченного сырья при частоте 2450 МГц. От этих пяти основных факторов зависит эффективная доза воздействия ЭМПСВЧ на сырье. Эти зависимости имеют нелинейную зависимость, так как формы связи влаги разнообразны, и влияет сквозная проводимость (рис. 1). С повышением температуры с 20 до 95 °С диэлектрическая проницаемость измельченного вторичного мясного сырья уменьша-

-й-

00

Диэлектрические параметры / Dielectric parameters

О

В

00

ё Н

0

1

Я

я р

о о

я о

W

ё Я Я

tl

ё я №

S

о н о

я -—-

Я Hh

я ёг

ч

ста"

р S

'"d

Я о

•а

р ►в* я я Я

я

о о

4

о ft я

Е

0Q

о

5

СЛ

ЕГ

е а

§ %

ъ о ft я

1-1 О-

й- V £

1-1 ^ Я g

5 & ? ^

с р 3 3

6 3

а ft

р.

н ft

О 3

ft

►о о

ft о

Я tl <2

ft ТЗ

Я р

о s

№ Я -

ft ft

ft W

й P

E

о

Й о

& §

ft J • fT

I в

о о

tr я

p о

¡Г* <">

р н

Я S ft 3.

W

ч о\ О w тз а я ? Л й я Я о я а

О О

W

я

о

я

к

о

0 н №

tl я

ш Й ft

1

я л ft о я

to о

я о

о о Е

№

¿В

тЗ

и -ё в

н

я

о н я я

Диэлектрические параметры / Dielectric parameters

>73

к о о

S н

V

о4

ч »

о

о „ 51.

о4

Диэлектрические параметры / Dielectric parameters

К> OJ (Л С\

п'-

о

й

4S тЗ

е

о4

т.

V>

J J

J,

ч_

—

-X

р

J

с Л

-Г a\

•о

( >с

о

ь

1

V

ON

0

-1

Диэлектрические параметры / Dielectric parameters

н

I

о

н

га 13

8

$ О тЗ Р

О CTN

6

tl О

Чл р

►в* р

0

tl

Я

(jj

Й ft

1 я

Л ft о я

я о н ft

№

я

ё р

ft н

¡2 > о ^

н ^

5 о

^ 1-1

§ 2

to СО

о Я О

О о №

№ to о Я

я *

р

р

о

К ft я №

В ft я я ft

On

On

I

On 00

tl ^ Я

ft Й ^ Э

о ft

to я о

■t* Я

oo Л

I

Я ш Я й S ft я

ft ТЗ

Й я

я о со

е

о

а;

О о

5 я

я »3

о й

-J ft

-J и р

и

tl о oj |—;

ft о я я

X

я о н ft

№

tl я

8 со

о

tl Е

U ft Я

4

ft

о о

S -

Я о

и и

« о

ti о

OJ

н р

я я я

я £

с ft

И g

ы Н

со ^тз

Я р

ft Я №

Е

р ft н о to

►в-

о

tl я

СП СП с

= D

а: с а;

а:

i X

Nj

S •fc.

•fc. Г

1Л

N

P5

in

5

Nj Nj Nj

r

VO •fc. О 41

ю

Та СЛ Nj

•fc. г

1л N

Р5

5

Nj Nj Nj

i •fc. О 41

Диэлектрические параметры / Dielectric parameters

^ Ю OJ (л

о Ъ т\ 1 1 г

1

ъ

X

->

4

0

о <

> ■

С 5 >

С

L tJ

J о-

vT о-

j

\ i

■t

3

(jj

'-J ft Я

4

ft о я я

X

я о н ft

№

о

ti о

J3N

Чл

ч? я

о

О о н №

со ft и я л я со

й ft

н

о

to

ю

tl о

О/

-р^ tl

ю я

w g

У* я

^ я

> 8 я

р ё ►в*

р я

я ъ

н о

я о н ft

№

я я я

й ft

к

о о н №

я

ы

к ^

о ^

to о

я о

о о Е

hrt № со ^ ft ™

tl о

я

о

tl о

я

о

я

со р

ft н о to

OJ

ю

ю -

IJ1 -—-

I •

ю м

ю ^

о S

о

я ®

tl я

h п „ О Я ft

ft я №

В

я я

о

'ТЗ

tl я

ъ о

tl

п

о со

р « j

5 я §

о 'В 3

•в т я

электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'

В летний период в камеры жвачных животных (рубец, книжка, сетка, сычуг) после освобождения от содержимого и мойки добавляют поваренную соль, следовательно их диэлектрические характеристики значительно изменяются. Диэлектрическая проницаемость с увеличением содержания соли с 0 до 3 % незначительно изменяется 49,4-46,2, а фактор диэлектрических потерь возрастает с 16,6 до 34, так как уменьшается влажность, увеличивается проводимость при растворении соли (рис. 1, г).

Модели изменения диэлектрических параметров сырья включают пять факторов. Поэтому необходимо воспользоваться такой методикой планирования эксперимента, которая позволила бы, пользуясь построенными графикам (рис. 1), оценить зависимость диэлектрических параметров при одновременном варьировании пятью факторами. Так как зависимости диэлектрических характеристик измельченного мясного сырья от каждого варьируемого фактора описываются полиномом второго порядка, то эффективнее центральное композиционное ротатабельное униформ планирование второго порядка [17, с. 96].

Для упрощения воспользовались трехфактор-ным активным планированием типа 23 (план Хартли) (табл. 1). Получены регрессионные модели изменения диэлектрической проницаемости и фактора диэлектрических потерь от температуры, влажности и жирности при содержании соли 2,5-3 % и плотности сырья 1 г/см3.

Результаты и обсуждение

СВЧ-установка с коаксиальным резонатором для термообработки с обеззараживанием вторичного мясного сырья в непрерывном режиме (рис. 2) содержит в горизонтальной плоскости коаксиальный резонатор 1. Он представлен как соосно установленные неферромагнитный цилиндр 5 и неферромагнитный электроприводной винтовой шнек 8, 9, отношением радиусов, равным 3,6 [18, с. 351]. Диаметр и длина цилиндра 5 в пять и семь раз превышают длину волны (12,24 см, частота 2450 МГц) соответственно[14, с. 50]. Шаг винта 9 шнека 8 равен двум глубинам проникновения волны (глубина проникновения волны в мясное сырье 1,7-11,2 см в зависимости от содержания воды и жира) [16, с. 106], толщина винта меньше величины шага, а высота винта равна четверти длины волны. Винтовой шнек 8, 9, представленный как гребенчатая замедляющая

структура, соосно расположен в керамической перфорированной цилиндрической обечайке 13, имеющей по концам загрузочное окно и выгрузочное окно 10, под которое установлена фторопластовая выгрузная труба 11 с запредельным волноводом и шаровым краном 12 для шквары. На цилиндре 5 расположены магнетроны 4 со сдвигом на 120 градусов по периметру и по спирали по длине цилиндра, они охлаждаются от вентиляторов. На внутренней поверхности цилиндра 5 установлены неферромагнитные коронирующие иглы 7, под которыми расположены газоразрядные лампы 6, запитанные от источников импульсно-модулированных высокочастотных колебаний, расположенных на боковой поверхности цилиндра 5, содержащего запредельные волноводы с шаровым краном 12, 14 для шквары и жира соответственно. Над боковой поверхностью цилиндра 1 установлена неферромагнитная загрузочная емкость 2 с неферромагнитным спиральным шнеком 3 и направляющей фторопластовой трубой, длиной до керамической перфорированной цилиндрической обечайки 13.

Технологический процесс термообработки с обеззараживанием и нейтрализацией неприятного запаха вторичного мясного сырья в непрерывном режиме происходит следующим образом. Загрузить предварительно измельченное вторичное мясное сырье, например камеры желудка жвачных животных (рубец, сетка, книжка, сычуг и др.) в неферромагнитную загрузочную емкость 2 при закрытой задвижке. Включить электропривод (указан вал 15) неферромагнитного винтового шнека 8. Включить источники импульсно-модулированных высокочастотных колебаний, после чего запитанные от них электрогазоразрядные лампы 6 загораются, происходит коронный разряд между неферромагнитными коронирующими иглами 7. Выделяется озон, происходит обеззараживание внутренней поверхности узлов установки. Открыть задвижку в неферромагнитной загрузочной емкости 2 и включить электропривод неферромагнитного спирального шнека, после чего сырье попадает через направляющую фторопластовую трубу в керамическую перфорированную цилиндрическую обечайку 13, далее сырье между неферромагнитными винтами 9 передвигается вдоль неферромагнитного электроприводного винтового шнека 8. Далее включить магнетроны 4 и вентиляторы для их охлаждения.

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if ТРГНМП!nfiiFS FI РГТШГЛ! РПШРМРМТ^^^^^^Ч^Ч^^

lyvmlvmiii^ electrical technologies, electrical equipment

xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx

а) б)

V Я Я ¡-1 Я Я Я Я Я Я Я Я j^j I

в) г)

Рис. 2. СВЧ-установка с коаксиальным резонатором для термообработки с обеззараживанием вторичного мясного сырья в непрерывном режиме: а) схематическое изображение; б) общий вид в разрезе с позициями;

в) замедляющая система (винтовой шнек); г) замедляющая система в керамической перфорированной обечайке, в разрезе; 1 - коаксиальный резонатор; 2 - неферромагнитная загрузочная емкость с направляющей фторопластовой трубой; 3 - неферромагнитный спиральный шнек; 4 - магнетроны воздушного охлаждения; 5 - наружный неферромагнитный цилиндр; 6 — газоразрядные лампы; 7 - неферромагнитные коронирующие иглы; 8 - винтовой шнек; 9 - неферромагнитные винты шнека; 10 - выгрузное окно; 11 - фторопластовая выгрузная труба; 12, 14 - запредельные волноводы с шаровыми кранами; 13 - керамическая перфорированная цилиндрическая обечайка; 15 - вал электропривода Fig. 2. Microwave installation with a coaxial resonator for heat treatment with disinfection of secondary meat raw materials in continuous mode: a) a schematic representation; b) a general view in the context of the positions; c) decelerating system (screw auger); d) decelerating system in a ceramic perforated shell, in section;

1 - a coaxial resonator; 2 - a non-ferromagnetic loading container with a guide fluoroplastic tube; 3 - a non-ferromagnetic spiral auger; 4 - air-cooled magnetrons; 5 - an external non-ferromagnetic cylinder;

6 - electric gas discharge lamps; 7 - non-ferromagnetic corona needles; 8 - screw auger; 9 - non-ferromagnetic screw screws; 10 — discharge window; 11 — fluoroplast discharge pipe; 12, 14 - transcendental waveguides with ball valves; 13 - ceramic perforated cylindrical shell; 15 - electric drive shaft Источник: установка разработана авторами

Сырье между неферромагнитными винтами неферромагнитного электроприводного винтового шнека, представленными как гребенчатая замедляющая структура [13, с. 98], равномерно нагревается, так как шаг между неферромагнитными винтами равен двум глубинам проникновения волны. Причем на единицу длины в замедляющей структуре приходится большее число длин волн, чем в коаксиальном резонаторе 1. Следовательно, большая плотность энергии электромагнитного поля [18, с. 332] между неферромагнитными винтами неферромагнитного

электроприводного винтового шнека, где расположено сырье. Поэтому скорость нагрева вторичного мясного сырья между неферромагнитными винтами 9 быстрее, чем было бы в кольцевом объеме между керамической перфорированной цилиндрической обечайкой 13 и неферромагнитным цилиндром 5.

В процессе воздействия ЭМПСВЧ сырье подвергается термообработке за счет токов поляризации и обеззараживается [2; 18; 19], так как напряженность электрического поля в объеме между керами-

электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'

ческой перфорированной цилиндрической обечайки 13 и неферромагнитным винтовым электроприводным шнеком высокая, достигает до 8-10 кВ/см. В объеме, между керамической перфорированной цилиндрической обечайкой 13 и неферромагнитным цилиндром 5, напряженность электрического поля намного ниже (0,8-1 кВ/см).

Керамическая перфорированная цилиндрическая обечайка выполняет функцию диэлектрического резонатора, на границе раздела диэлектрик-воздух волна полностью отражается. Благодаря применению керамической перфорированной цилиндрической обечайки 13, обладающей малыми диэлектрическими потерями ^ = 10-3) и высоким значением диэлектрической проницаемости (более 30) [18, с. 359], достигается концентрация энергии ЭМП в объеме между неферромагнитным электроприводным винтовым шнеком и керамической перфорированной цилиндрической обечайкой 13, следовательно, в сырье и уменьшение потерь на излучение.

Конструктивные особенности коаксиального резонатора с неферромагнитным электроприводным винтовым шнеком: СВЧ-энергия от генераторов (излучателей от магнетронов) разветвляется на замедляющей гребенчатой структуре типа цепочки связанных резонаторов малого объема, где более «мягкий» режим нагрева сырья, а магнетроны предохраняются от отражений в периоды отсутствия сырья, этому также способствует керамическая перфорированная цилиндрическая обечайка 13. Внутри ее (13) исключается неравномерное выделение тепла по сечению сырья. Диаметр винта 9 не-

ферромагнитного электроприводного шнека выбран таким образом, чтобы не было высших типов волн, а могла распространяться только типа ТЭМ.

Предварительные сравнительные исследования температуры нагрева сырья при применении винтового шнека, как цепочки связанных резонаторов, показали, что перепад температуры по радиусу обечайки составляет до 0,3 °С при вышеуказанных размерах конструкции. Озон, выделенный за счет коронного разряда между электрогазоразрядными лампами 6 и коронирующими электродами 7, нейтрализует неприятный запах и способствует снижению бактериальной обсемененности сырья. Из вторичного мясного сырья при комплексном воздействии электрофизических факторов (ЭМПСВЧ и озона) вытапливается обеззараженный жир, который через перфорацию керамической цилиндрической обечайки 13 стекает в нижнюю часть неферромагнитного цилиндра 5, откуда, при открывании шарового крана, через запредельный волновод 14 его можно слить. Шквара перемещается с помощью неферромагнитного электроприводного (15) винтового шнека 8; 9 вдоль керамической перфорированной цилиндрической обечайки 13. После чего шквара через выгрузочное окно 10 попадает во фторопластовую выгрузочную трубу 11, откуда она выгружается через запредельный волновод 12 при открытом шаровом кране.

Реализовать необходимую производительность можно регулированием мощности магнетронов 4 и газоразрядных ламп 6. Основные параметры, реализуемые в СВЧ-установке, приведены в таблице 1.

Таблица 1. СВЧ-установка с коаксиальным резонатором для термообработки с обеззараживанием вторичного мясного сырья в непрерывном режиме

Table 1. Microwave installation with a coaxial resonator for heat treatment with disinfection of secondary meat raw materials in continuous mode

Наименование / Name

Параметр / Parameter

Производительность установки, кг/ч / Installation capacity, kg/h Мощность магнетронов, кВт (3 шт.) / Magnetron power, kW (3 pcs.) Мощность электропривода винтового шнека, кВт / Electric screw drive power, kW Мощность вентиляторов для охлаждения магнетронов, кВт / Power of fans for cooling magnetrons, kW

Мощность источников импульсно-модулированных высокочастотных колебаний, кВт / Power of pulse-modulated high-frequency oscillation sources, kW Мощность спирального шнека, кВт / Power of the spiral screw, kW Общая мощность установки, кВт / Total power of the installation, kW

Энергетические затраты на сушку шерсти, кВт-ч/кг / Energy costs for drying wool, kWh/kg Источник: данные получены авторами в результате расчетов

20-22 3,0 1,54 0,09

0,12

0,25 5,0 0,23-0,25

i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex

Удельные диэлектрические потери зависят от частоты, квадрата напряженности электрического поля и фактора диэлектрических потерь сырья, который, в свою очередь, зависит от температуры, влажности, жирности, плотности, содержания соли. Поэтому следует получить регрессионные модели изменения диэлектрической проницаемости и фак-

тора диэлектрических потерь от температуры, влажности при постоянной жирности 20 %, содержания соли 2,5-3 % и плотности сырья 1 г/см3. Для этого составлена матрица активного планирования эксперимента типа 23 (табл. 2).

Поверхности откликов и сечения двухфактор-ных моделей приведены на рис. 3.

Таблица 2. Матрица активного планирования эксперимента типа 23 Table 2. Active experiment planning matrix type 23

Варьируемые параметры / Variable parameters Критерии - диэлектрические параметры / Criteria - dielectric parameters

№ Температура, °С / Temperature, °С Влажность, % / Humidity, % Жирность, % / Fat content, %

Х1 х2 Хз £ k

1 + 100 + 75 + 20 38,6 15,3

2 + 100 - 55 - 10 38,1 16,8

3 - 20 + 75 - 10 46,5 19,6

4 - 20 - 55 + 20 38,7 15,2

5 0 60 0 65 0 15 40,3 17,3

6 - 20 0 65 0 15 43,4 16,5

7 + 100 0 65 0 15 40,5 16,3

8 0 60 - 55 0 15 38 17,1

9 0 60 + 75 0 15 42,2 17,4

10 0 60 0 65 - 10 38,7 17,9

11 0 60 0 65 + 20 38 16

Источник: данные получены авторами в результате анализа графиков (рис. 1)

а) б)

Рис. 3. Поверхности откликов и сечения двухфакторных моделей: а) диэлектрической проницаемости; б) фактора диэлектрических потерь измельченного мясного сырья от температуры, влажности при жирности 20 %, содержании соли 2,5-3 % и плотности сырья 1 г/см3 Fig. 3. Response surfaces and cross sections of two-factor models: a) dielectric constant; b) the factor of dielectric losses of ground meat raw materials from temperature, humidity with a fat content of 20 %, a salt content of 2.5-3 % and a density of raw materials of 1 g/cm3 Источник: модели построены авторами в результате применения компьютерной программы Statistica 18

электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'

Регрессионные модели изменения £ и k от температуры, влажности при жирности 20 %, содержании соли 2,5-3 % и плотности сырья 1 г/см3: £ = 3,86 + 0,13 • Т + 0,8139 • Ж+ + 0,001Т 2 - 0,0046 • Т • Ж - 0,0026 • Ж2; (1)

k = 9,478 + 0,272 • Т - 0,061 • Ж -- 0,0004- Т 2 - 0,0037- Т • Ж + 0,0026 • Ж2. (2) Из уравнений следует, что все три фактора (температура, влажность, содержание жира) оказывают влияние на диэлектрические параметры жиро-содержащего мясного сырья.

P = 13,617 -Ю-10 • к- Е2(В /см), Вт /см3. (3)

'-10 Е2(В / см) х (9,478 + 0,272 • Т - 0,061 -W -Л

Руд = 13,617-10-

0,0004• Т2 -0,0037• Т-W-+0,0026 -W2

, Вт / см3.

(4)

Пользуясь формулой 4, можно оценить удельную мощность генератора при изменении температуры сырья (20-100 °С), важности (55-75 %) для жирности мясного сырья 20 %.

7 8 9

Рис. 4. Электродинамические параметры системы с коаксиальным резонатором, содержащим гребенчатую замедляющую систему (мода 1): 1, 2 - Е-энергия, Дж/м3; 3, 4 - Н-энергия, Дж/м3; 5, 6 - распределение напряженности электрического поля, В/м; 7, 8 - распределение напряженности магнитного поля, А/м; 9 — поверхностный ток, А/м Fig. 4. Electrodynamic parameters of a system with a coaxial resonator containing a comb decelerating system (mode 1): 1, 2 - E-energy, J/m3; 3, 4 - H -energy, J/m3; 5, 6 - electric field strength distribution, V/m; 7, 8 - distribution of the magnetic field strength, A/m; 9 — surface current, A/m Источник: исследования проведены авторами в CST Microwave Studio 2018

х

i electrical technologies, electrical equipment and power supply of the agro-industrial complex

Результаты цифрового моделирования электродинамических параметров электромагнитного поля сантиметрового диапазона в коаксиальном резонаторе с гребенчатой замедляющей системой, полученные в программе CST Microwave Studio 2018 [20], приведены на рис. 4.

Результаты исследования ЭД параметров системы показывают, что напряженность ЭП в коаксиальном резонаторе с гребенчатой замедляющей системой в виде неферромагнитного винтового шнека с шагом 4 см, толщиной винта 1,5 см, диаметром вала 8 см, диаметром винта 18 составляет 4-5 кВ/см.

В области гребенчатой замедляющей системы (над неферромагнитными винтами шнека) напряженность ЭП равна 8-12 кВ/см.

Заключение

В СВЧ-установке, где транспортирование сырья вдоль коаксиального резонатора происходит в винтовом шнеке, выполняющем функцию замедляющей гребенчатой структуры, представленной как цепочка связанных резонаторов малого объема, возбуждается высокая напряженность электрического

поля внутри керамической перфорированной обечайки, сырье подвергается равномерному нагреву и обеззараживается.

Полученная формула удельной мощности генератора с учетом регрессионных моделей изменения диэлектрической проницаемости и фактора диэлектрических потерь от температуры, влажности, содержания соли 2,5-3 % и плотности сырья 1 г/см3 позволяет оценить генерируемую мощность в сырье при изменении его температуры (20-100 °С), влажности (55-75 %), при жирности сырья 20 %.

Результаты цифрового моделирования ЭД параметров электромагнитного поля сантиметрового диапазона в коаксиальном резонаторе с гребенчатой замедляющей структурой подтверждают, что гребенчатая система в виде винтового шнека с шагом

4 см и диаметром 18 см обеспечивает высокую напряженность электрического поля 8-12 кВ/см.

Эффективные режимы: производительность установки 20-22 кг/ч, общая мощность установки

5 кВт, энергетические затраты на технологический процесс 0,23-0,25 Вт-ч /г.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Ивашов В. И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Ч. 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. М. : Колос, 2001. 552 с.

2. Ерошин А. И., Идиятов И. И., Юсупов С. А. Влияние электромагнитного излучения сверхвысокой частоты на фитотоксичность помета // Ветеринарный врач. 2021. № 2. С. 24-27. DOI: 10.33632/1998-698X.2021-2-24-27.

3. Воронов Е. В., Новикова Г. В., Михайлова О. В., Просвирякова М. В., Тихонов А. А., Сторчевой В. Ф., Скворцов Ю. А. Патент № 2817881 РФ, МПК A47j29/06. Оборудование для термообработки вторичного мясного сырья в диафрагмированном резонаторе воздействием электрофизических факторов / заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). № 2023119215, заявл. 10.07.2023. Бюл. № 12 от 22.04.2024.

4. Йулчиев А. Б., Норматов А. М. СВЧ-установка для влаготепловой обработки хлопковой мятки // Universum: технические науки. 2020. № 7-2 (76). С. 51-57. EDN JQSSTS.

5. Юрова И. С., Казарцев Д. А., Шахов С. В., Соболев Д. Г. Разработка экспериментальной установки для СВЧ-сушки семян расторопши // Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-2. С. 286-287. EDN VYXJEX.

6. Падусова Е. В., Шарангович С. Н. Расчет диэлектрических волноводов и объемных резонаторов. Томск : Изд-во ТУСУРа. 2018. 103 с. ISBN 978-5-868889-812-9. EDN BVMABQ.

7. Каганов В. И. Полуоткрытый объемный СВЧ резонатор // Вестник МГТУ МИРЭА. 2015. № 1 (6). С. 154-163. EDN TNQHXV.

8. Кун А. А., Табакова Г. А. Проектирование СВЧ устройств // Актуальные научные исследования в современном мире. 2017. № 11-10 (31). С. 93-94. EDN ZWKRKZ.

9. Тухватуллин М. И. Обеспечение равномерной микроволновой обработки биологических субстратов в СВЧ электротехнологических установках // Российский электронный научный журнал. 2022. № 4 (46). С. 22-32. DOI: 10.31563/2308-9644-2022-46-4-22=32. EDNJ/DZCHR.

10. Жуков А. О., Линкевичиус А. П., Харченко В. В. Основы теории электромагнитного поля : Учебное пособие / Под общей редакцией А. В. Кулакова. М. : Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Экспертно-аналитический цент», 2016. 214 с. ISBN 978-5-904670-34-4. EDN YQHRZZ.

54

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX

XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX

11. Фомин Д. Г., Дубарев Н. В., Даровских С. Н., Клыгач Д. С. Особенности применения объемно-модульной технологии в проектировании СВЧ электронных устройств // Ural Radio Engineering Journal. 2021. Т. 5. № 2. C. 91-103. Doi: https://doi.org/10.15826/urej.2021.5.2.001.

12. Кабдин Н. Е., Андреев С. А. Обеспечение равномерности СВЧ-обработки сельскохозяйственных материалов в объемном резонаторе // Международный технико-экономический журнал. 2018. № 5. С. 42-49. EDN: YUZNUD.

13. Баскаков С. И. Электродинамика и распространение волн. М. : Высшая школа, 1992. 208 с.

14. Пчельников Ю. Н., Свиридов В. Т. Электроника сверхвысоких частот. М. : Радио и связь, 1981. 96 с.

15. Технологическое оборудование пищевых производств / Под ред. Б. М. Азарова и др. М. : Агропро-миздат, 1988. 463 с.

16. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / Под ред. И. А. Рогова. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. 288 с.

17. Коновалов В. В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ : учебное пособие. Пенза : ПГСХА, 2003. 173 с.

18. Стрекалов А. В., Стрекалов Ю. А. Электромагнитные поля и волны. М. : РИОР; ИНФРА-М, 2014.

375 с.

19. Корчагин Ю. В. Патент № 2161505. А 61L2/00. Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа. № 99114320/13; заявл. 06.07.1999; опубл. 10.01.2001. END QUGBAS.

20. Титов Е. В., Сошников А. А, Васильев В. Ю. Компьютерное моделирование наложенных электромагнитных волн от источников электромагнитного поля в широком диапазоне частот // Вестник Алтайского ГТУ им. И. И. Ползунова. 2022. № 3 (209). С. 102-108. DOI 10.53083/1996-4277-2022-209-3-102-108. EDN WJXMFX.

Дата поступления статьи в редакцию 29.08.2024; одобрена после рецензирования 25.09.2024;

принята к публикации 26.09.2024.

Информация об авторах:

Е. В. Воронов - к.э.н., кандидат экономических наук, доцент, директор инженерного института, Spin-код: 8963-4080;

Г. В. Новикова - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Spin-код: 3317-5336.

Заявленный вклад авторов:

Воронов Е. В. - формирование цели и задач, разработка установки, замедляющей системы и обоснование конструкции.

Новикова Г. В. - формулирование основной концепции исследования, проведение расчетов, написание выводов.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

REFERENCES

1. Ivashov V. I. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatij myasnoj promyshlennosti. Ch. 1. Oborudovanie dlya uboya i pervichnoj obrabotki [Technological equipment of meat industry enterprises. Part 1. Equipment for slaughter and primary processing], Moscow: Kolos, 2001, 552 p.

2. Eroshin A. I., Idiyatov I. I., Yusupov S. A. Vliyanie elektromagnitnogo izlucheniya sverhvysokoj chastoty na fito toksichnost' pometa [The effect of ultrahigh frequency electromagnetic radiation on the phyto toxicity of manure], Veterinarnyj vrach [Veterinarian], 2021, No. 2, pp. 24-27, DOI: 10.33632/1998-698X.2021-2-24-27.

3. Voronov E. V., Novikova G. V., Mihajlova O. V., Prosviryakova M. V., Tihonov A. A., Storchevoj V. F., Skvorcov Yu. A. Patent No. 2817881 RF, MPK A47j29/06. Oborudovanie dlya termoobrabotki vtorichnogo myas-nogo syr'ya v diafragmirovannom rezonatore vozdejstviem elektrofizicheskih faktorov [Equipment for heat treatment

55

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё

lyvmlvmiii^ electrical technologies, electrical equipment

XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_

of secondary meat raw materials in a diaphragm resonator under the influence of electrophysical factors], zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU), No. 2023119215, zayavl. 10.07.2023, Byul. No. 12 ot 22.04.2024.

4. Julchiev A. B., Normatov A. M. SVCH-ustanovka dlya vlagoteplovoj obrabotki hlopkovoj myatki [Microwave installation for moisture-thermal processing of cotton mint], Universum: tekhnicheskie nauki [Universum: technical sciences], 2020, No. 7-2 (76), pp. 51-57, EDN JQSSTS.

5. Yurova I. S., Kazarcev D. A., Shahov S. V., Sobolev D. G. Razrabotka eksperimental'noj ustanovki dlya SVCH-sushki semyan rastoropshi [Development of an experimental installation for microwave drying of milk thistle seeds], Mezhdunarodnyj studencheskij nauchnyj vestnik [International Student Scientific Bulletin], 2016, No. 3-2, pp. 286-287, EDN VYXJEX.

6. Padusova E. V., Sharangovich S. N. Raschet dielektricheskih volnovodov i ob"emnyh rezonatorov [Calculation of dielectric waveguides and volumetric resonators], Tomsk: Publ. TUSURa, 2018, 103 p. ISBN 978-5-868889812-9, EDN BVMABQ.

7. Kaganov V. I. Poluotkrytyj ob"emnyj SVCH rezonator [Semi-open volumetric microwave resonator], Vestnik MGTUMIREA [Bulletin of the Moscow State Technical University MIREA], 2015, No. 1 (6), pp. 154-163, EDN TNQHXV.

8. Kun A. A., Tabakova G. A. Proektirovanie SVCH ustrojstv [Designing microwave devices], Aktual'nye nauchnye issledovaniya v sovremennom mire [Actual scientific research in the modern world], 2017, No. 11-10 (31), pp. 93-94, EDN ZWKRKZ.

9. Tuhvatullin M. I. Obespechenie ravnomernoj mikrovolnovoj obrabotki biologicheskih substratov v SVCH elektrotekhnologicheskih ustanovkah [Ensuring uniform microwave processing of biological substrates in microwave electrotechnological installations], Rossijskij elektronnyj nauchnyj zhurnal [Russian Electronic Scientific Journal], 2022, No. 4 (46), pp. 22-32, DOI: 10.31563/2308-9644-2022-46-4-22=32, EDN JDZCHR.

10. Zhukov A. O., Linkevichius A. P., Harchenko V. V. Osnovy teorii elektromagnitnogo polya [Fundamentals of electromagnetic field theory], Textbook, In A. V. Kulakov (ed.), Moscow: Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe nauchnoe uchrezhdenie «Ekspertno-analiticheskij cent», 2016, 214 p. ISBN 978-5-904670-34-4, EDN YQHRZZ.

11. Fomin D. G., Dubarev N. V., Darovskih S. N., Klygach D. S. Osobennosti primeneniya ob"emno-modul'noj tekhnologii v proektirovanii SVCH elektronnyh ustrojstv [Features of the use of volumetric modular technology in the design of microwave electronic devices], Ural Radio Engineering Journal, 2021, Vol. 5, No. 2, pp. 91-103, Doi: https://doi.org/10.15826/urej.2021.5.2.001.

12. Kabdin N. E., Andreev S. A. Obespechenie ravnomernosti SVCH-obrabotki sel'skohozyajstvennyh materi-alov v ob"emnom rezonatore [Ensuring uniformity of microwave processing of agricultural materials in a volumetric resonator], Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal [International Technical and Economic Journal], 2018, No. 5, pp. 42-49, EDN: YUZNUD.

13. Baskakov S. I. Elektrodinamika i rasprostranenie voln [Electrodynamics and wave propagation], Moscow: Vysshaya shkola, 1992, 208 p.

14. Pchel'nikov Yu. N., Sviridov V. T. Elektronika sverhvysokih chastot [Ultrahigh frequency electronics], Moscow: Radio i svyaz', 1981, 96 p.

15. Tekhnologicheskoe oborudovanie pishchevyh proizvodstv [Technological equipment of food production], In B. M. Azarov (ed.), Moscow: Agropromizdat, 1988, 463 p.

16. Elektrofizicheskie, opticheskie i akusticheskie harakteristiki pishchevyh produktov [Electrophysical, optical and acoustic characteristics of food products], In I. A. Rogov (ed.), Moscow: Legkaya i pishchevaya promyshlen-nost', 1981, 288 p.

17. Konovalov V. V. Praktikum po obrabotke rezul'tatov nauchnyh issledovanij s pomoshch'yu PEVM [Workshop on processing the results of scientific research using a PC], textbook, Penza: PGSKHA, 2003, 173 p.

18. Strekalov A. V., Strekalov Yu. A. Elektromagnitnye polya i volny [Electromagnetic fields and waves], Moscow: RIOR; INFRA-M, 2014, 375 p.

19. Korchagin Yu. V. Patent No. 2161505. A 61L2/00. Sposob sterilizacii materialov pri pomoshchi SVCH izlucheniya s vysokoj napryazhennost'yu rolya i ustrojstvo dlya realizacii sposoba [A method for sterilizing materials

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX

using microwave radiation with high role intensity and a device for implementing the method], No. 99114320/13, za-yavl. 06.07.1999, opubl. 10.01.2001, END QUGBAS.

20. Titov E. V., Soshnikov A. A, Vasil'ev V. Yu. Komp'yuternoe modelirovanie nalozhennyh elektromagnit-nyh voln ot istochnikov elektromagnitnogo polya v shirokom diapazone chastot [Computer modeling of superimposed electro-magnetic waves from electromagnetic field sources in a wide frequency range], Vestnik Altajskogo GTU im. 1.1. Polzunova [Bulletin of the Altai State Technical University named after I. I. Polzunov], 2022, No. 3 (209), pp. 102-108, DOI 10.53083/1996-4277-2022-209-3-102-108, EDN WJXMFX.

The article was submitted 29.08.2024; approved after reviewing 25.09.2024; accepted for publication 26.09.2024.

Information about the authors: E. V. Voronov - Ph. D. (Economy), Associate Professor, Director of the Engineering Institute, Spin-code: 8963-4080; G. V. Novikova - Dr. Sci. (Engineering), Professor, Chief Researcher, Spin-code: 3317-5336.

The stated contribution of the authors: Voronov E. V. - formation of goals and objectives, development of the installation, deceleration system and design justification.

Novikova G. V. - formulation of the basic concept of the study, carrying out calculations, writing conclusions.

The authors declare that there is no conflict of interest.