CC BY
8УДК 621.385.6:637.123
СВЧ УСТАНОВКИ ДЛЯ РАЗМОРАЖИВАНИЯ КОРОВЬЕГО МОЛОЗИВА
11 12 Г.В. Новикова , О.В. Михайлова , М.В. Просвирякова , И.Г. Ершова
1 ГБОУ ВО «НГИЭУ», Княгинино, Россия, 2 ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия
Аннотация. Разработаны многорезонаторные сверхвысокочастотные установки. Для обеспечения непрерывности технологического процесса размораживания молозива в одном модуле и разогрева в другом модуле разработана СВЧ установка с коническими резонаторами. Второй модуль представлен тремя коническими резонаторами, позволяющими увеличить производительность установки. Электромагнитная безопасность соблюдается без экранирующего корпуса за счет отсечения вершины конического резонатора на уровне критического сечения. Вследствие этого создаются условия для возникновения резонансных колебаний за счет переотражений электромагнитных волн от критического сечения. Появляется запредельный объем позволяющий создавать отверстия для введения сырья в резонатор, не нарушая в нем структуру электромагнитного поля. Для ферм малой производительности разработана двухрезонаторная СВЧ установка. Она выполнена в виде объединенных резонаторов с общим перфорированным основанием. В конденсаторной части тороидального резонатора возбуждается электромагнитное поле высокой напряженности, позволяющей обеззараживать сырье.
Ключевые слова: конические резонаторы, размораживание и разогрев молозива животных, сверхвысокочастотная установка, кормовая ценность
Введение
Коровье молозиво - это специфический секрет, выделяющийся у животных после рождения молодняка несколько дней (5-6 дней). Это густая жидкость, имеет кремовый или желтый цвет, на вкус немного соленая. Состав молозива (содержание жиров, белка и др. элементов) изменяется каждый день. Поскольку, молодняку хватает всего 1/3 от вырабатываемого количества, поэтому излишки замораживают. Уникальные свойства молозива позволяют употреблять молодняку в размороженном и разогретом виде без возрастных ограничений [1]. В фермах, содержащих скот (коров, коз, верблюдов лошадей и т.д.), для размораживания и разогрева молозива используют специальные размораживатели. В традиционных оборудованиях размораживание молозива животных происходит в полиэтиленовых бутылках, размещенных в пароводяной смеси. Но этот процесс очень длительный, достигает до 1,5-2 часов, в зависимости от объема тары, а это снижает кормовую ценность продукта. Поэтому для этой цели предлагается использовать энергию электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Но экспериментальные исследования показывают, что процесс размораживания и разогрева молозива и в этом случае получается достаточной длительный, и при этом не полностью сохраняются иммуноглобулины. Причина заключается в том, что характер изменения диэлектрических параметров коровьего молозива в замороженном и жидком состоянии с увеличением температуры нагрева противоположный (рис. 1) [2].
Как известно, удельные диэлектрические потери в единице объема диэлектрика зависят от параметров электрического поля сверхвысокой частоты, от фактора диэлектрических потерь (к) молозива, а также от теплоемкости и плотности, которая, в свою очередь, зависит от жирности молозива. При этом фактор диэлектрических потерь при температуре от -10 до 0 оС растет от 4 до 27, т.е. мощность, поглощаемая сырьем в процессе размораживания, увеличивается, а при разогреве молозива от 0 до 40 оС фактор диэлектрических потерь падает, т.е. поглощаемая мощность с увеличением температуры уменьшается
с жирностью 6,4 % от температуры (Т): а) от -10 до 0 оС; б) от 0 до +40 оС
Эти графики описываются эмпирическими выражениями в промежутках температур: от - 10 до 0оС - к = 24,75-е0'19'7, от 0 до +40оС - к = 27,308-е-0'021'7.
Удельная мощность (Руд), генерируемая в единице объема замороженного молозива, в процессе размораживания с - 10 до 0 оС при напряженности электрического поля 1,2 кВ/см увеличивается с 7832 до 52867 Вт/м
Руд = 5,55-10-11 • /• k• Е2 = 5,55-10-11 • 2450-106 •(4...27)-(1,2-105)2
(1)
= 7832...52867Вт / м3.
где f - частота, Гц; к - фактор диэлектрических потерь коровьего молозива; Е -напряженность электрического поля, В/м.
Скорость нагрева (АТ/Ат) молозива в процессе размораживания увеличивается с 0,0014 до 0,094 оС/с:
Ат р-С 1017 • 3860
где р - плотность сырья, кг/м ; С - теплоемкость сырья, Дж/кг оС; П - термический КПД, Ат - продолжительность воздействия ЭМПСВЧ, с Тогда продолжительность размораживания молозива составит:
(2)
Ат = АТ / (0,0094 ) = 10/0,0094 = 17,7 мин.
(3)
Для разогрева молозива с 0 до 40 оС, с учетом уменьшения скорости нагрева, следует обеспечить в резонаторе напряженность ЭП 3,8 кВ/см. Тогда продолжительность разогрева составит 7...8 мин., а общая продолжительность технологического процесса в двух резонаторах 25.26 мин. (рис.3).
Или второй модуль, предназначенный для разогрева молозива, должен содержать три резонатора, где в каждом из них возбуждается ЭП напряженностью 1,2 кВ/см (рис. 2).
Цель исследования - разработка сверхвысокочастотных установок непрерывно-поточного действия для размораживания и разогрева коровьего молозива с сохранением комовых ценностей.
Материалы и методы исследования
Анализ диэлектрических параметров позволяет сделать вывод, что процессы размораживания и разогрева коровьего молозива должны происходить в разных объемных резонаторах при разных дозах воздействия ЭПСВЧ. Поэтому научная инновационная идея состоит в разработке СВЧ установки с двумя модулями. Один модуль - для размораживания от -10 до 0 оС, другой модуль - для разогрева с 0 до 38 оС. Только разделение этих процессов в разные резонаторы резко сократит продолжительность размораживания и разогрева молозива, что позволит сохранить кормовую ценность коровьего молозива, в том числе иммуноглобулины. С этой целью разработано несколько СВЧ установок, но в них не предусмотрена возможность воздействия ЭМПСВЧ разной дозой на сырье в зависимости от его температуры. При этом следует заменить традиционную технологию замораживания сырья в полиэтиленовых бутылках, на брикеты малого размера с целью загрузки в резонатор через усеченный конус, или использовать в приемной емкости измельчающий механизм.
Например, разработан радиогерметичный СВЧ размораживатель коровьего молозива непрерывно-поточного действия с биконическим резонатором (патент № 2721484) [3, 4]. Недостатками являются содержание экранирующего корпуса и невозможность регулирования дозы воздействия ЭМПСВЧ в каждом резонаторе отдельно, несмотря на отделение замороженного сырья от жидкой фракции, так как отделяющий диск выполнен из диэлектрического материала. Разработана СВЧ установка с нетрадиционными резонаторами для размораживания и разогрева коровьего молозива в непрерывном режиме (патент № 2732722) [5]. Установка позволяет управлять дозой воздействия в обоих ярусах, но конструкция очень сложная в изготовлении и в управлении. Имеется СВЧ установка с тороидальным резонатором (патент № 2694944) [6,
7].
Результаты и обсуждение
В настоящее время разработаны технология и многорезонаторная установка непрерывно-поточного действия без экранирующего корпуса с соблюдением электромагнитной безопасности для размораживания и разогрева молозива животных воздействием ЭМПСВЧ разной дозой при отрицательной и положительной температуре. При этом технической задачей является реализация основных критериев в СВЧ установке, обладающей возможностью варьирования производительностью для удовлетворения потребностей ферм с разным количеством животных. Радиогерметичная многорезонаторная установка для размораживания и разогрева молозива животных (рис. 2) выполнена объединением конических вертикально расположенных резонаторов 2 и 5. Основной резонатор 2 расположен вершиной вверх, а у дополнительных резонаторов 5 вершины направлены вниз. Периметры оснований основного и дополнительных резонаторов кратны половине длины волны. Вершина основного конического резонатора усечена и состыкована с приемной емкостью 1, которая содержит заслонку. По периметру его нижнего основания со сдвигом на 120 градусов установлены магнетроны 10 с воздушным охлаждением, подключенные к СВЧ генераторам. Над основанием основного конического резонатора расположен диэлектрический перемешивающий механизм 9 с электроприводом.
Рисунок 2 - Радиогерметичная многорезонаторная установка непрерывно-поточного
1 - приемную емкость; 2 - основной конический резонатор с перфорированными частями 3 боковой поверхности; 4 - магнетроны по периметрам оснований дополнительных конических резонаторов 5; 6 - диэлектрические перемешивающие устройства с электроприводами; 7 - шаровые краны с электроприводами; датчики температуры 8; 9 - диэлектрический перемешивающий механизм с электроприводом; 10 - магнетроны по периметру основания основного конического резонатора
действия для размораживания и разогрева молозива животных:
Дополнительные конические резонаторы 5 расположены вершинами, направленными вниз. В запредельных объемах (ниже критического сечения) каждого дополнительного резонатора установлены датчики температуры 8, а в области вершин размещены шаровые краны 7 с электроприводами. Высота всех резонаторов кратна половине длины волны (длина волны 12,24 см, частота 2450 МГц). При этом части боковой поверхности основного конического резонатора 2 со сдвигом на 120о перфорированы и углублены внутрь соответствующих дополнительных конических резонаторов. Перфорированные поверхности 3 достигают до площади основания основного конического резонатора. По периметрам оснований дополнительных конических резонаторов установлены магнетроны 4 со сдвигом на 120 градусов. Внутри каждого дополнительного резонатора в области вершины расположены диэлектрические перемешивающие устройства 6 с электроприводом. Вершина основного конического резонатора 2 усечена на уровне критического сечения, а его нижнее основание расположено выше критических сечений вершин дополнительных конических резонаторов (выше запредельных объемов каждого дополнительного резонатора 5). Известно, что в конической части резонатора с размерами, согласованными с диной волны, возникает условие отсечки для высших типов колебаний [8, стр. 63].
Вследствие этого создаются условия для возникновения резонансных колебаний за счет переотражений электромагнитных волн от критического сечения. Появляется запредельный объем. Конический профиль резонаторов обеспечивает снятие вырождения между колебаниями Н01р и Е11р [8, 9]. При этом критическое сечение располагается на значительном расстоянии от вершины резонатора 2, что позволяет создавать отверстия для введения сырья, практически не нарушая в нем структуру электромагнитного поля. Отверстие на уровне критического сечения конического резонатора 2 позволяет загружать куски замороженного сырья с соблюдением электромагнитной безопасности, т.е. при обеспечении радиогерметичности установки.
Технологический процесс размораживания и разогрева молозива животных воздействием ЭМПСВЧ происходит следующим образом. Загрузить замороженное сырье размером 3-4 см (две глубины проникновения волны длиной 12,24 см) в приемную емкость 10, предварительно закрыв заслонку и шаровые краны 6. Включить электропривод диэлектрического перемешивающего механизма 9, после открыть заслонку, включить соответствующие генераторы и вентиляторы для охлаждения магнетронов 4. Под воздействием ЭМПСВЧ на замороженное сырье происходит размораживание молозива животных. Жидкое молозиво в процессе вращения диэлектрического перемешивающего механизма 9 с достаточно большими оборотами сбрасывается к боковой поверхности основного конического резонатора 2 и через отверстия перфорированных частей 3 боковой поверхности основного резонатора попадает в дополнительные резонаторы 5. Далее включить генераторы 4 для возбуждения ЭМПСВЧ в дополнительных конических резонаторах 5 и включить электропривод диэлектрических перемешивающих устройств 6. Жидкое молозиво накапливается в дополнительных конических резонаторах до уровня основания основного конического резонатора. Это основание выше критических сечений дополнительных резонаторов 5. Молозиво здесь нагревается до температуры 38-40 оС. При этом в запредельных объемах дополнительных конических резонаторов 5 ЭМПСВЧ отсутствует, поэтому следует перемешивать жидкое молозиво с помощью диэлектрических устройств 6. Это позволит поддержать температуру молозива во всем объеме на уровне 38-40 оС. Датчики
температуры 8 находятся в запредельном объеме, где отсутствует электромагнитное поле, т.е. отсутствует влияние на стабильность регистрации температуры сырья. Электроприводы шаровых кранов, установленные в вершины дополнительных резонаторов, управляются сигналами от датчиков температуры и открывают шаровые краны 7 на определенный зазор. Установка радиогерметичная, так как имеет запредельные объемы.
Система связанных нескольких конических резонаторов обладает определенными практическими преимуществами, обусловливающими перспективы их применения в технологических процессах подготовки замороженного молозива для выпойки молодняка животных. Особенности конических резонаторов - это достаточно высокая собственная добротность, наличие запредельных объемов, облегчающих подачу замороженного сырья в резонатор и слив готового молозива в непрерывном режиме из резонаторов, соблюдение радиогерметичности без специального экранирующего корпуса. В каждом резонаторе регулируется доза воздействия ЭМПСВЧ с учетом противоположного характера изменения диэлектрических параметров замороженного и жидкого молозива в зависимости от температуры.
Для ферм малой производительности разработана двухрезонаторная СВЧ установка (рис. 3). Она выполнена в виде объединенных конического 1 и тороидального (6, 7) резонаторов с общим перфорированным неферромагнитным основанием 4. Вершина конического резонатора 1 усечена на уровне диаметра, не превышающего четверти длины волны для загрузки замороженных брикетов молозива. По три магнетрона со сдвигом на 120 градусов по периметру расположены на поверхностях каждого резонатора. Три излучателя от магнетронов 2 направлены в конический резонатор над перфорированным неферромагнитным основанием 4 и три излучателя от магнетронов 5 расположены под основанием. Тороидальный резонатор представлен конденсаторной частью 6, отделенной перфорированным диэлектрическим кольцевым основанием 7 от кольцевой части 9 резонатора. Средний периметр кольцевой части резонатора кратен половине длины волны. Кольцевая часть резонатора представлена как соосно расположенные неферромагнитные цилиндры с общим неферромагнитным нижним основанием 11. На нижнем основании внутреннего неферромагнитного цилиндра установлен шаровой кран 12, верхнее его основание 8 выполнено из неферромагнитного материала, а нижняя часть его боковой поверхности 10 перфорирована. Датчик температуры 13 установлен внутри данного цилиндра. Над перфорированным основанием 4 конического резонатора расположен перемешивающий диэлектрический механизм 3 с электроприводом. Над усеченной вершиной конического резонатора установлена приемная емкость 15 с заслонкой.
Технологический процесс размораживания и разогрева коровьего молозива происходит следующим образом. Загрузить брикеты замороженного коровьего молозива толщиной не более 3-4 см (т.е. не превышающей две глубины проникновения волны, длиной 12,24 см) в приемную емкость 14, предварительно закрыв заслонку и шаровой кран 12. Включить электропривод диэлектрического перемешивающего механизма 3.
Открыть заслонку, при наличии брикетов молозива в коническом резонаторе включить генераторы 2. Под воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) происходит размораживание коровьего молозива, жидкая фракция в процессе перемешивания 3 стекает через отверстия перфорированного неферромагнитного основания 4. Далее следует включить генераторы 5, излучатели которых направлены в
29
конденсаторную часть 6 тороидального резонатора, где создается высокая напряженность электрического поля.
Сырье разогревается, находясь на перфорированном диэлектрическом основании 7, диаметр отверстий, перфорации которого меньше, чем на неферромагнитном основании 4 конического резонатора. Это связано с высокой жирностью молозива, текучесть которого с увеличением температуры возрастает.
Рисунок 3 - СВЧ установка для размораживания и разогрева коровьего молозива: 1 - конический резонатор; 2 - магнетроны на коническом резонаторе;
3 - диэлектрический перемешивающий механизм с электроприводом; 4 -перфорированное основание конического резонатора; 5 - магнетроны на поверхности конденсаторной части; 6 - конденсаторная часть тороидального резонатора; 7 -диэлектрическое перфорированное основание; 8 - неферромагнитное основание внутреннего цилиндра; 9 - кольцевая часть тороидального резонатора; 10 -перфорированная нижняя часть боковой стенки внутреннего цилиндра; 11 -неферромагнитное основание общее для цилиндров;
12 - шаровой кран; 13 - датчик температуры; 14 - приемная емкость
Разогретое молозиво стекает в кольцевое пространство 9 (7, 11), откуда через отверстия перфорации на нижней части боковой поверхности 10 попадает во внутренний цилиндр. Полученный продукт можно слить, открыв шаровой кран 12. Во внутреннем цилиндре 8, 11, где отсутствует ЭМПСВЧ, установлен датчик температуры 13, позволяющий управлять процессом слива продукта с помощью шарового крана. Электромагнитная безопасность обслуживающего персонала соблюдается за счет отсечения вершины конического резонатора на уровне диаметра, не превышающего четверть длины волны. С учетом такой конструкции отпадает надобность в дополнительном экранировании корпуса.
-13
Выводы
Для обеспечения непрерывности технологического процесса размораживания молозива в одном модуле и разогрева в другом разработана СВЧ установка с коническими резонаторами. Электромагнитная безопасность соблюдается без экранирующего корпуса за счет отсечения вершины конического резонатора на уровне критического сечения. Вследствие этого создаются условия для возникновения резонансных колебаний за счет переотражений электромагнитных волн от запредельного объема. Для ферм малой производительности разработана двухрезонаторная СВЧ установка.
Список испльзуемых источников:
1. Коровье молозиво [электронный ресурс]. - Режим доступа: sad24.ru>zhivotnye/chto-takoe-korove-molozivo.html. (дата обращения 17.12.2020).
2. Рогов, И. А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / И.А. Рогова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. -288 с.
3. Тараканов, Д.А. СВЧ установка непрерывного действия для размораживания и разогрева коровьего молозива / Д.А. Тараканов, А.А. Тихонов, М.В. Белова, О.В. Михайлова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. -Оренбург: ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ, № 1(81), 2020. - С.108-113.
4. Мангушев, М. Р. Эффективные режимы размораживания коровьего молозива в СВЧ установке с биконическим резонатором (статья, электронная версия) / Мангушев М. Р., Белова М. В., Михайлова О. В., Тихонов А. А. // Меридиан, выпуск № 11 (29), 2019. - С.213-215. http://meridian-journal.ru/.
5. Тихонов, А.А. Установки для размораживания коровьего молозива / А.А Тихонов, Г.В. Новикова, М.В. Белова, Д.А. Тараканов // Инновации в сельском хозяйстве. - М.: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2020, №. 2 (35). - С. 102-110.
6. Novikova, G. V. Development of Microwave Devices with Toroidal Resonators for Treatment of Raw Materials / Novikova, G. V., Belova M. V., Mikhailova O. V. // Web of Science Journal of Environmental Treatment Techniques. Journal web link: http://www.jett.dormaj.com. J. Environ. Treat. Tech. ISSN: 2309-1185, 2019, Special Issue on Environment, Management and Economy, Pages: 1215-1223.
7. Новикова, Г.В. Разработка микроволновой технологии и установки для размораживания и разогрева коровьего молозива / Г.В. Новикова, О.В. Михайлова, С.П. Зайцев // Вестник Чувашской сельскохозяйственной академии, 2020, № 3 (14). -С. 90-94.
8. Дробахин О. О. Исследование возможности применения связанных биконических резонаторов для определения параметров диэлектрических материалов / О. О. Дробахин, Д. Ю. Салтыков // Прикладная радиоэлектроника, 2014, Том. 13, № 1. - С. 63-69.
9. Диденко, А. Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика / А. Н. Диденко. - М.: Наука, 2003. - 446 с.
10. Баскаков, С. И. Электродинамика и распространения волн / С. И. Баскаков. - М.: Наука, 1992. - 208 с.
Г.В. Новикова 1, д-р техн. наук; Михайлова О.В..1, д-р техн. наук;
1 2 М.В. Просвирякова , д-р техн. наук; Ершова И.Г. канд. техн. наук
1ГБОУВО «НГИЭУ», Княгинино, Россия,
2 ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия
MICROWAVE UNITS FOR DEFROSTING COW COLOSTRUM
Abstract. Multi-resonator microwave devices have been developed. To ensure the continuity of the technological process of defrosting colostrum in one module and warming up in another module, a microwave installation with conical resonators has been developed. The second module is represented by three conical resonators, which increase the productivity of the installation. Electromagnetic safety is observed without a shielding housing due to cutting off the top of the conical resonator at the level of the critical section. As a result, conditions are created for the occurrence of resonant oscillations due to re-reflections of electromagnetic waves from the critical section. An outrageous volume appears that allows you to create holes for introducing raw materials into the resonator without disturbing the structure of the electromagnetic field in it. For farms of low productivity, a two-cavity microwave installation has been developed. It is made in the form of combined resonators with a common perforated base. In the capacitor part of the toroidal resonator, a high-intensity electromagnetic field is excited, which makes it possible to disinfect raw materials.
Keywords: conical resonators, defrosting and warming up animal colostrum, microwave unit, nutritional value
G.V. Novikova1, Dr. tech. sci.; O.V. Michailova1, Dr. tech. sci.;
1 2 M.V. Prosviryakova , Dr. tech. sci.; I.G. Ershova , Cand. tech. sci
2 GBOU VO Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University, Knyaginino, Russia,
1 Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia,
