Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The aim of the work is to develop and justify the parameters of the installation for the granulation of non-food waste of animal and vegetable origin in the process of dielectric heating. Objectives of the study: to develop microwave installations with volumetric resonators of different configurations, providing high electric field strength and continuity of the process of granulating raw materials; calculate the parameters of the electrodynamic system of the generator (electric field strength, the intrinsic Q factor of the resonator) and visualize the distribution pattern of the electromagnetic field in the resonators of different configurations. The studies were based on the dielectric heating theory and the theory of forming granules from multicomponent raw materials. The parameters of the electrodynamic system of the microwave generator were studied in the CST Microwave Studio program. The structural performance of volume resonators is analyzed from the point of view of the implementation of the requirements imposed by microwave devices and granulators intended for use in farms. Analyzed devices with a toroidal resonator and a disk matrix and with ellipsoid resonators and gear ring matrices are analyzed. The electromagnetic field distributions are visualized in the developed design versions of resonators combined with the working chamber of granulators. The values of the self-quality of the resonators and the electric field strength in them are calculated.
microwave generator, resonator, granulator, matrix, waste materials, effective modes
Министерством промышленности и торговли РФ технологии создания изделий сверхвысокочастотной электроники отнесены к критичным технологиям (стратегическая программа от 17.12.2012 г) [1]. СВЧ установки отличаются по физическому принципу действия и конструкции. За рубежом разрабатывают СВЧ установки на основе источников, мощностью от 25 до 50 кВт, с водяным охлаждением, при этом достичь равномерного нагрева сырья сложно. Стоимость установленной мощности оценивается до 3 тыс. долларов за 1 кВт. Анализ разработок производителей СВЧ установок в России позволяет выявить основные тенденции и перспективы развития устройств различного функционального назначения, в том числе для гранулирования сырья. Поэтому для реализации необходимых электродинамических и эксплуатационных характеристик нами разрабатываются новые конструкции объемных резонаторов с маломощными магнетронами и способы, совмещающие микроволновую технологию с процессом гранулирования многокомпонентного сырья. Это позволит улучшить физико-механические свойства гранул.
Условия, материалы и методы исследований. В исследованиях базировались на теории диэлектрического нагрева и теории формования гранул из многокомпонентного сырья. Исследование параметров электродинамической системы сверхвысокочастотного генератора проводили в программе CST Microwave Studio [2]. Оценка технических характеристик установки проводилась с помощью современных цифровых приборов и методик. Трехмерные моделирования конструктивного исполнения СВЧ установок выполнены в программе Компас-3D V17.
Анализ и обсуждение результатов исследований. Разработаны и анализированы конструкционные исполнения объемных резонаторов с точки зрения реализации требований, предъявляемых установкам с источниками энергии электромагнитных излучений и грануляторам, предназначенным для использования в фермерских хозяйствах. Ниже описаны разработанные две установки: 1) с тороидальным резонатором и дисковой матрицей; 2) с эллипсоидными резонаторами и зубчатыми кольцевыми матрицами.
1. Установка с тороидальным резонатором и дисковой матрицей для гранулирования обезвоженных непищевых отходов убоя животных в процессе диэлектрического нагрева.
Известны квазистационарные резонаторы, у которых резко выраженное пространственное разъединение электрического и магнитного полей, что позволяет рассматривать такие резонаторы как соединение сосредоточенных емкости и индуктивности [3, 4]. В тороидальном резонаторе, в малом зазоре между стенками резонатора сосредоточена энергия электрического поля. Этот зазор может рассматриваться как плоский конденсатор. На этом принципе построена конфигурация предлагаемого тороидального резонатора при сохранении достаточно большого объема и его собственной добротности.
Рабочая камера установки (рисунок 1) представлена в виде тороидального резонатора 1 с прямоугольным сечением тора. Тороидальный резонатор выполнен из коаксиально расположенных неферромагнитных цилиндров 2,3, расположенных вертикально и имеющих разную высоту. Нижним основанием внутреннего цилиндра 3 с меньшей высотой служит неферромагнитная решетка 11 от измельчителя. Функцию нижнего основания наружного цилиндра 2 выполняет вращающаяся от мотора-редуктора матрица 5 из неферромагнитного материала с множеством конусообразных отверстий [5]. В пространстве между решеткой и вращающейся матрицей расположены прижимные диэлектрические ролики 6 с ребристой поверхностью. Они прижаты к вращающейся матрице за счет специального винта, позволяющего регулировать расположения диэлектрической оси роликов. Верхнее основание наружного цилиндра 2 закрыто кольцевой поверхностью. Во внутреннем цилиндре расположен нагнетательный шнек 10, вращающийся нож 9 измельчителя, а решетка является основанием. Измельчитель имеет лоток для приема сырья. СВЧ генераторы 4 вводят энергию в резонатор из тороидальной части, т.е. магнетроны и волноводы расположены на образующей наружного цилиндра. Под вращающейся матрицей 5 имеется нож 12 , расположенный стационарно, для срезания гранул, которые выводятся за пределы установки через отверстие выгрузного корпуса. Вращение матрицы осуществляется с помощью мотора-редуктора. Под вращающейся матрицей имеется выгрузной корпус с отверстием.
1. hse.ru›…2013/02/12…SVCh tekhnologii 25.12.2012.pdf. Strategicheskaya programma issledovaniy tekhnologicheskoy platformy “SVCh tekhnologii”. (Microwave Technology 25.12.2012.pdf. Strategic research program of the technological platform “Microwave technology”).
2. [http://www.eurointech.ru/], Kurushin A.A., Plastikov A.N. Proektirovanie SVCh ustroystv v srede CST Microwave Studio. (Designing microwave devices in the CST Microwave Studio environment). - M.: MEI, 2011. - P. 155.
3. Strekalov A.V. Elektromagnitnye polya i volny. [Electromagnetic fields and waves]. / A.V. Strekalov, Yu.A. Strekalov. - M.: RIOR: INFRA-M, 2014. - P. 375.
4. Drobakhin O.O. Resonance properties of microwave resonators in the form of a spherical sector. [Rezonansnye svoystva mikrovolnovykh rezonatorov v vide sfericheskogo sektora]. / O.O. Drobakhin, P.I. Zabolotnyy, E.N. Privalov // Radioelektronika. Informatika. Upravlenie. - Radioelectronics. Computer science. Control. 2009. - № 2(21). - P. 11-16.
5. Bulatov Ilya Anatolevich. Razrabotka protsessa pressovogo granulirovaniya melkodispersnykh sred na primere mineralnykh poroshkov i drevesnykh otkhodov: avtoref. …kand. tekhn. nauk: 05.17.08, 05.02.13. (Development of the process of press granulation of finely dispersed media on the example of mineral powders and wood waste: author’s abstract for a degree of Ph.D. of Technivs: 05.17.08, 05.02.13). - M., 2012. - P. 25.
6. Mavrin O. Optimal solution: granulation and heat treatment for 240 seconds. [Optimalnoe reshenie: granulirovanie i termoobrabotka za 240 sekund]. / Mavrin O. // Kombikorma. - Combined feed. - 2009. - № 1. - P. 33-35.
7. Makarenkov D.A. Features of the choice of granulating equipment multicomponent polydisperse charges, with secondary material resources based on system analysis. [Osobennosti vybora granuliruyuschego oborudovaniya mnogokomponentnykh polidispersnykh shikht, s vtorichnymi materialnymi resursami na osnove sistemnogo analiza]. / D.A. Makarenkov, V.I. Nazarov, A.M. Gonopolskiy, Ya.A. Trefilova // Vestnik MGOU. Seriya “Estestvennye nauki”. - The herald of MGOU. Series “Natural Sciences”. - 2013. - №1. - P. 49-64.
8. Afanasev V.A. Development of technology for wet pressing carbohydrate-vitamin-mineral supplements with an increase in the content of molasses. [Razrabotka tekhnologii vlazhnogo pressovaniya uglevodno-vitaminno-mineral'nykh dobavok s povysheniem soderzhaniya melassy]. / V.A. Afanasev, A.A. Kiselev // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologiy. - The Hreald of Voronezh State University of Engineering Technologies. - 2015. - № 1 (63). - P. 70-73.
9. Zhdankin G.V. Analysis of developed microwave installations for heat treatment of raw materials. [Analiz razrabotannykh sverkhvysokochastotnykh ustanovok dlya termoobrabotki syrya]. / G.V. Novikova, G.V. Zhdankin, O.V. Mikhaylova, A.A. Belov // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - The Herald of Kazan State Agrarian University. - Kazan: FGBOU VO Kazanskiy GAU. 2016, № 4 (42). - P. 89-93.
10. Zhdankin G.V. Development and justification of the parameters of the installation for dielectric heating of non-food waste of animal origin in a continuous mode. [Razrabotka i obosnovanie parametrov ustanovki dlya dielektricheskogo nagreva nepischevykh otkhodov zhivotnogo proiskhozhdeniya v nepreryvnom rezhime]. / G.V. Zhdankin, G.V. Novikova, O.V. Mikhaylova, N.K. Kirillov // - Knyaginino: Vestnik NGIEI. - The Herald of NIEEI. № 2(69), 2017. - P. 61-71.
11. Zhdankin, G.V. Microwave installation with conical resonators for the heat treatment of inedible meat wastes / O.V. Mikhailova, Semenov V. G., Baimukanov D. A., Iskhan K. Zh., Kalagambet M. B., Nurbaev S. D., H. A. Aubakirov // Of the National academy of sciences of the republic of Kazakhstan [Series of geology and technical sciences] .- Volume 2, Number 428.- 2018, pp. 44-54.
12. Zhdankin, G.V. Installation for complex effects electrophysical factors on raw // O.V. Mikhailova // Of the National academy of sciences of the republic of Kazakhstan [Series of geology and technical sciences].- Volume 1, Number 428.- 2019, pp. 36-46.
13. Shamin, E.A. Microwave technologies and devices separating fur from rabbit skin / O.V. Mikhailova, I.G. Ershova, D.V. Poruchikov, S.P. Zaycev // Amazonia Investiga. - Volume 7, Number 17. - 2018, pp. 630-640.
