Russian Federation
Kazan, Kazan, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 45.53 Электротехническое оборудование специального назначения
A method for creating continuous-flow microwave installations for defrosting and heating cow’s milk is developed on the basis of a step-by-step systematization of methods for optimizing the electrodynamic and structural-technological parameters of the installation, which allow preserving the feed value of raw materials. Construction of the resonator radiodermatitis microwave installation continuous-flow action allows you to implement the innovative idea of separation processes defrosting and heating colostrum in accordance with the nature of the change of dielectric properties of materials in the range of negative and positive temperatures to speed up the process, allowing you to keep feeding value of colostrum. The developed two-resonator installation most fully implements the main criteria of the technological process: acceleration of the processes of defrosting and heating of cow colostrum; continuous-flow mode in the presence of electromagnetic safety; variability of the plant performance due to the use of several air-cooled magnetrons. The total power of the microwave installation is 4.5 kW with a capacity of 35...40 kg/h, specific energy costs of 0.12...0.13 kWh/kg. The duration of the process is reduced by 4 times, and, consequently, the cortical value of colostrum is preserved. The basic colostrum defroster, with a capacity of 6 kW, operates at an energy cost of 0.3 kWh / kg, the process duration reaches 1.5...2 hours. The improved conical resonator allows to preserve the conditions for the occurrence of resonant oscillations due to the re-reflections of higher-order electromagnetic waves from critical sections and provides for the limitation of electromagnetic wave radiation without an additional shielding housing. The efficiency of a quasi-stationary toroidal resonator, estimated by the magnitude of the electric field strength (EF), the generator power and the intrinsic Q-factor is 0.93
toroidal and conical resonators, colostrum, two-resonator installation, electric field strength
На фермах крупного рогатого скота (КРС) для выпойки новорожденных телят используют молозиво с температурой 35…37 °С. В течение первых суток одному теленку необходимо 4…7 л молозива, а его излишки разливают в пластиковую тару и хранят в замороженном виде. Применяемые способы замораживания молозива не оказывают существенного влияния на количество иммуноглобулинов – как основного компонента, формирующего его кормовую ценность. Молозиво может без значительных потерь храниться до 6 месяцев при температуре минус (15…20) оС. Перед кормлением молодняка животных его подвергают частичной дефростации (до 0 оС) и подогреву до 37…40 оС в размораживателях – пароводяным способом. Для сохранения кормовой ценности молозиво необходимо размораживать равномерно в предельно щадящем режиме. Однако в этом случае негативное влияние на его кормовую ценность оказывает длительность процесса (1,5…2 ч) [1]. В связи с изложенным актуальна разработка технологии и установки, позволяющей ускорить процессы дефростации и подогрев молозива. Для этого, на наш взгляд, можно заменить традиционный способ размораживания на микроволновую технологию.
Известна СВЧ установка [2] с квазистационарным тороидальным резонатором, образованным между коаксиально расположенными неферромагнитными цилиндрами разной высоты и верхней кольцевой неферромагнитной поверхностью. К недостаткам такой установки можно отнести необходимость освобождения сырья от тары, что приводит к увеличению продолжительности технологического процесса; размеры замороженных брикетов молозива могут превышать глубину проникновения электромагнитной волны, что снижает равномерность нагрева сырья.
Существует СВЧ размораживатель коровьего молозива непрерывно-поточного действия с биконическим резонатором [3]. Его недостатками можно считать отсутствие возможности самостоятельного управления дозой воздействия ЭМП СВЧ в каждом отсеке, что делает невозможным сокращение продолжительности процесса; увеличение стоимости установки из-за использования экранирующего корпуса.
Еще одна СВЧ установка для размораживания и подогрева коровьего молозива в непрерывном режиме [4], позволяет регулировать дозу воздействия для каждого отсека, но ее конструкция очень сложная в изготовлении и управлении.
Цель исследований – обоснование параметров двухрезонаторной СВЧ установки непрерывно-поточного действия, позволяющей разделить и ускорить процессы дефростации и подогрева коровьего молозива с сохранением кормовой ценности и соблюдением электромагнитной безопасности без экранирующего корпуса.
В работе решали следующие задачи: определить напряженность электрического поля в открытом коническом и квазистационарном тороидальном резонаторе; установить коэффициент отражения на границе раздела между двумя однородными средами (замороженное и жидкое коровье молозиво); определить эффективность тороидального резонатора.
Условия, материалы и методы. В качестве исследуемого сырья использовали коровье молозиво первых двух удоев от клинически здоровых животных с кислотностью 40…60 0Т, плотностью 1,051…1,060 г/см3, массовой долей жира 6,4 % и концентрацией иммуноглобулинов 50 г/л. Замораживали его до -10 оС в специальных полиэтиленовых пакетах в виде брикетов 2х4х2 см. Плотность молозива определяли ареометром АМТ 1015-1040, кислотность контролировали титриметрическим методом по ГОСТ Р 54669-2011. Дефростацию молозива проводили до 0…1 °С, подогрев – до 35…37 °С. Температуру сырья в процессе воздействия ЭМП СВЧ контролировали пирометром Testo 925, распределение теплового потока по поверхности сырья – тепловизором FLIRi335. Контроль дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) на сырье проводили на основании измерений напряженности электрического поля в частотном диапазоне 2450 МГц (12,24 см) – измерителем электромагнитных излучений – ПЗ-31.
В базовом варианте для дефростации и подогрева коровьего молозива использовали установку «Эконом БМА-50», работающую в периодическом режиме по принципу водяной бани посредством нагрева воды с помощью трубчатого электронагревателя, потребляемой мощностью 6…12 кВт.
При исследовании процессов отражения и преломления волны использовали методику
А. Н. Диденко [5]; интенсивности и мощности излучения через перфорацию – С. А. Афанасьева [6].
Для реализации технологических операций дефростации и подогрева молозива разработана двухрезонаторная сверхвысокочастотная установка [7]. Разделение процесса на технологические операции дефростации и подогрева связано с противоположным характером изменения фактора диэлектрических потерь молозива в зависимости от температуры [8, 9].
СВЧ установка выполнена в виде двух объединенных резонаторов – конического 1 и тороидального (6, 7) с общим перфорированным неферромагнитным основанием 4 (рис. 1). Вершина конического резонатора усечена на
уровне критического сечения для загрузки замороженных брикетов молозива. На поверхности каждого резонатора расположены по три магнетрона со сдвигом на 120° по периметру. Три излучателя от магнетронов 2 направлены в конический резонатор над перфорированным неферромагнитным основанием, 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. Средний периметр кольцевой части резонатора кратен половине длины волны. Кольцевая часть резонатора представлена в виде соосно расположенных неферромагнитных цилиндров 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 боковой поверхности 10 перфорирована. Внутри этого цилиндра установлен датчик температуры 13. Над перфорированным основанием 4 конического резонатора расположен перемешивающий диэлектрический механизм 3 с электроприводом. Над усеченной вершиной конического резонатора установлен приемный резервуар 15 с заслонкой.
Брикеты замороженного коровьего молозива размерами не более 2х4х2 см (то есть не более двух глубин проникновения волны, что обеспечивает равномерный нагрев) загружаются в приемный резервуар 14, с предварительно закрытой заслонкой и шаровым краном. Включается электропривод диэлектрического перемешивающего механизма 3. Открывается заслонка, включаются генераторы 2 возбуждающие ЭМП СВЧ для дефростации сырья. Образовавшаяся жидкая субстанция при перемешивании механизмом 3 стекает сквозь перфорированное неферромагнитное основание. Далее включаются генераторы 5, излучатели которых направлены в конденсаторную часть тороидального резонатора, где создается высокая напряженность электрического поля.
Молозиво подогревается, находясь на перфорированном диэлектрическом основании, диаметр отверстий которого меньше, чем у неферромагнитного основания конического резонатора. Это связано с высокой жирностью молозива, текучесть которого с увеличением температуры возрастает. Подогретое молозиво стекает в кольцевое пространство 9 (7, 11), откуда через перфорацию нижней части боковой поверхности попадает во внутренний цилиндр. Произведенный продукт можно слить, открыв шаровой кран. Во внутреннем цилиндре 8, 11, где ЭМП СВЧ отсутствует, установлен датчик температуры 13, позволяющий управлять процессом слива продукта с помощью шарового крана. Электромагнитная безопасность обслуживающего персонала соблюдается благодаря отсечению вершины конического резонатора на уровне критического сечения. С учетом такой конструкции отпадает надобность в дополнительном экранировании корпуса.
Анализ и обсуждение результатов исследований. По данным И.А. Рогова [10], изменения фактора диэлектрических потерь (k) коровьего молозива от температуры (Т) описываются эмпирическими выражениями в промежутках температур: от – 10 до 0 оС – k = 24,75∙e0,19∙Т; от 0 до +40 оС – k = 27,308∙e-0,021∙Т. То есть фактор диэлектрических потерь сырья при отрицательной температуре растет, а при положительной – падает.
Удельная мощность (Руд), генерируемая в единице объема замороженного молозива, в процессе дефростации с -10 до 0 оС при напряженности электрического поля 1,2 кВ/см увеличивается с 7832 до 52867 Вт/м3.
(1)
где f – частота, Гц;
k – фактор диэлектрических потерь коровьего молозива;
Е – напряженность электрического поля, В/м.
Скорость нагрева (∆Т/∆τ) молозива в процессе размораживания увеличивается с 0,0014 до 0,094 оС/с:
(2)
где ρ – плотность сырья, кг/м3;
С – теплоемкость сырья, Дж/кг оС;
Для подогрева молозива с 0 до 40 оС, с учетом уменьшения скорости нагрева, следует обеспечить в резонаторе напряженность ЭП 3,8 кВ/см, то есть другую дозу воздействия ЭМП СВЧ. Это возможно в конденсаторной части квазистационарного тороидального резонатора. При этом продолжительность подогрева составит 7…8 мин, а общая длительность технологического процесса в двух резонаторах 25…26 мин. Общая мощность СВЧ установки при производительности 35…40 кг/ч равна 4,5 кВт, а удельные энергетические затраты 0,12…0,13 кВт∙ч/кг. Базовый размораживатель молозива «Эконом БМА-50» при потребляемой мощности 6 кВт, работает с энергетическими затратами 0,3 кВт∙ч/кг. Результаты теоретических исследований свидетельствуют, что продолжительность процесса дефростации и подогрева молозива в проектном варианте сокращается в 4 раза, что дает возможность выдвигать предположение о сохранении его кормовой ценности.
Особое место среди применяемых типов резонаторов занимают открытые резонаторы – биконические и конические. Размеры и рабочую частоту для этих резонаторов подбирают таким образом, чтобы на конической части возникали условия отсечки для одного или нескольких высших типов колебаний. Это обеспечивает условия для возникновения резонансных колебаний вследствие переотражений электромагнитных волн высших порядков от критических сечений [11]. Путем отсечения вершины конического резонатора были созданы отверстия для внесения замороженных блоков коровьего молозива без ущерба для качества резонансной системы. При коническом профиле резонатора вырождение между колебаниями Hо1p (симметричная мода магнитного поля, с нулевым числом полных изменений поля по окружности и одним изменением поля по диаметру) и E11p (основная несимметричная мода электрического поля, с одним числом полных изменений поля по окружности и одним изменением поля по диаметру) не происходит. Алексенко Я. В. показал, что спектр мод даже при большом угле раствора конуса слабо отличается от собственных мод цилиндрического резонатора [12]. Поэтому напряженность электрического поля (В/м) в открытом коническом резонаторе можно описать формулой:
(4)
где m = 1, 2, 3…целое число радиальных изменений поля по диаметру;
ω – частота ЭМП, Гц;
− угол раствор конуса, град;
С – константа, определяемая частным решением функции Бесселя;
− функция Бесселя;
с – скорость электромагнитной волны вакууме (3·108), м/с;
r – радиус основания конического резонатора, м;
Рv – мощность, генерируемая в единице объема сырья, Вт/м3;
φ – начальная фаза, град.
Собственные частоты конического резонатора мало отличаются от собственных мод цилиндрического резонатора с радиусом, равным радиусу основания конуса [5].
Изучение процессов отражения и преломления волны СВЧ диапазона на плоской границе раздела между двумя однородными средами (замороженное и жидкое коровье молозиво) на перфорированном неферромагнитном основании конического резонатора [5] позволило установить, что падение волны (рис. 2) происходит из прозрачной среды I (замороженного сырья). Обозначим величины, относящиеся к падающей волне и отраженной, индексами 0 и 1, а величины, относящиеся к преломленной волне – индексом 2. Направление нормали к плоскости раздела сред I и II совпадает с осью z, ориентированной внутрь среды II (жидкое молозиво), а ось х совпадает с границей раздела сред. Направление распространения всех волн лежит в плоскости хz, что эквивалентно равенству составляющих волнового вектора для трех волн:
k0x = k1x = k2x, где k0 = (5)
где ε, μ − относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.
С использованием принципа Френеля рассмотрим два варианта распространения волн. Первый, когда электрическое поле перпендикулярно плоскости падения хz; второй, когда лежит в этой плоскости:
(6)
Если обе среды совершенные диэлектрики, то:
(7)
При нормальном падении плоской волны на границу раздела сред оба случая поляризации эквивалентны, тогда коэффициент отражения R, позволяющий оценить отношение потока отраженной энергии к падающему потоку энергии можно рассчитать по выражению:
(8)
Формула (8) справедлива для поглощающей среды II. Если подвергается воздействию ЭМП СВЧ жидкая фракция молозива с диэлектрической проницаемостью ε2 = 53…44 и частотой 2450 МГц, то
С учетом того, что диэлектрическая проницаемость замороженных блоков молозива (ε1) в зависимости от температуры изменяется в интервале ε1 = 7…53:
Следовательно, при мощности генератора 2400 Вт в жидкой фракции молозива при 0оС поглощается мощность (1…0,467)∙2400 = 1279 Вт.
Интенсивность и мощность излучения через перфорации основания конического резонатора исследовали на примере элементарного щелевого излучателя. Переменные электрические заряды в этом случае наводятся в результате протекания поверхностных токов по стенке перфорированного основания.
Пространство между соосно расположенными цилиндрами (размерами a и b), образующими кольцевую часть тороидального резонатора), заполнено жидким коровьим молозивом с диэлектрической проницаемостью ε. Распределение электрического поля в поперечном сечении линии должно повторять структуру электростатического поля в цилиндрическом конденсаторе [13]. Поэтому электрическое поле имеет только радиальную составляющую Еr и не зависит от полярной координаты φ. Тогда на неферромагнитных поверхностях резонатора Еτ = 0, а электрическое поле бегущей TEM (Transverse Electromagnetic) волны (поперечная волна, у которой оба вектора Е и Н перпендикулярны оси Oz), не имеет продольных составляющих: Ez = 0, Hz = 0.
Радиальная составляющая ТЕМ волны описывается уравнением:
(10)
где kz – продольное волновое число.
Мощность переносимая TEM волной вдоль коаксиальной части резонатора равна:
(11)
где z0 – импеданс среды, заполняющий резонатор (отношение амплитуд электрического и магнитного полей волны).
При уменьшении кольцевого пространства (стремлении отношения b/a к единице) потери растут. С другой стороны, если b/a >3,6, то потери возрастают из-за увеличения плотности тока во внутреннем цилиндре с малым радиусом.
Рассмотрим электрофизические аспекты нагрева сырья в ЭМП СВЧ. Размещение сырья с достаточно большим тангенсом угла диэлектрических потерь в объемный резонатор позволяет использовать практически всю СВЧ энергию генератора для его нагрева. При сравнительно низких температурах нагрева КПД передачи мощности генератора сырью можно определить по следующей формуле:
Пусть слой замороженного сырья расположен на перфорированном основании конического резонатора, радиусом R c колебаниями Н01р так, что его поверхность касательна электрическому полю Еφ (r, z), а центр симметрии имеет координату где q=1,3,5,…,n.
При определенных конструкционных размерах резонатора КПД можно определить и из следующего выражения [5]:
(13)
где − корень функции Бесселя J1 (μ01=2,4050) [9];
h – высота усеченного конуса, м;
− объем усе-
ченного конического резонатора, м3;
− объем сырья в резона
торе, м3;
Rs − поверхностное сопротивление резонатора (Rs = 0,028 Ом∙мм2/м);
Zo − волновое сопротивление свободного пространства (Zo = 377 Ом).
Эффективность резонатора можно примерно оценить по величине напряженности ЭП
( ) мощности генератора (Pгенер.) и собственной добротности (Q):
(14)
КПД резонатора зависит от коэффициента заполнения сырьем и ориентации граничных плоскостей сырья относительно вектора электрического поля. Для практических расчетов КПД цилиндрической части тороидального резонатора можно использовать формулу:
где l, a – размеры цилиндрической части тороидального резонатора, м.
В нашем случае:
η=[1+ ]-1=0,93.
Выводы. Разработанная двухрезонаторная СВЧ установка наиболее полно реализует основные критерии технологического процесса: непрерывно-поточный режим при соблюдении электромагнитной безопасности без дополнительного экранирующего корпуса; ускорение процессов дефростации и подогрева коровьего молозива; вариативность производительности установки за счет использовании нескольких магнетронов с воздушным охлаждением. Общая мощность СВЧ установки составляет 4,5 кВт при производительности 35…40 кг/ч, удельных энергетических затратах 0,12…0,13 кВт∙ч/кг. При этом продолжительности процесса сокращается в 4 раза.
Усеченный конический резонатор, позволяет сохранить условия для возникновения резонансных колебаний вследствие переотражений электромагнитных волн высших порядков от критических сечений и обеспечивает ограничение излучения электромагнитных волн без дополнительного экранирующего корпуса.
Эффективность квазистационарного тороидального резонатора, оцененная по величине напряженности ЭП, мощности генератора и собственной добротности составляет 0,93.
1. Colostrum: its composition, properties, quality, methods and norms of feeding. [Internet]. Cattle breeding, a social site about cows. [cited 2021 Jan. 01]. Available from: URL: zivotnovodstvo.ru›molozivo-ego-sostav-svojstva…i….
2. Poruchikov DV, Novikova GV, Vasil'ev AN. Mikrovolnovaya ustanovka dlya razmorazhivaniya korov'ego moloziva. [Microwave installation for defrosting cow colostrum]. Patent RF № 2694944, 18.07.2019.
3. Tarakanov DA, Novikova GV, Belova MV. SVCh ustanovka s bikonicheskim rezonatorom dlya razmorazhivaniya korov'ego moloziva v nepreryvnom rezhime. [Microwave installation with a biconical resonator for defrosting cow colostrum in a continuous mode]. Patent RF № 2721484 RF, 19.05.2020.
4. Tikhonov AA, Kazakov AV, Novikova GV. SVCh ustanovka s netraditsionnymi rezonatorami dlya razmorazhivaniya i razogreva korov'ego moloziva v nepreryvnom rezhime. [Microwave installation with unconventional resonators for defrosting and heating cow colostrum in continuous mode]. Patent № 2732722 RF, 22.09.2020.
5. Didenko AN. SVCh-energetika: teoriya i praktika. [Microwave energy: theory and practice]. Moscow: Nauka. 2003; 446 p.
6. Afanas'ev SA, Sannikov DG. Vvedenie v elektrodinamiku SVCh. [Introduction to microwave electrodynamics]. Ul'yanovsk: Ul'yanovskii GU. 2012; 60 p.
7. Novikova GV, Mikhailova OV, Zaitsev SP. [Development of microwave technology and installation for defrosting and warming up cow colostrum]. Vestnik Chuvashskoi sel'skokhozyaistvennoi akademii. 2020; 3 (14): 90-94 p.
8. Belova MV, Tarakanov DV, Tikhonov AA. [Development and justification of the parameters of a microwave installation for defrosting and warming up cow colostrum]. Vestnik NGIEI. 2020; 2 (105): 45-55 p.
9. Prosviryakova MV, Mikhailova OV, Shamin EA. Elektromagnitnye polya i mikrovolnovye tekhnologii. [Electromagnetic fields and microwave technologies]. Knyaginino: GBOU VO NGIEU. 2020: 160 p.
10. Rogov IA. Elektrofizicheskie, opticheskie i akusticheskie kharakteristiki pishchevykh produktov. [Electrophysical, optical and acoustic characteristics of food products]. Moscow: Legkaya i pishchevaya promyshlennost'. 1981: 288 p.
11. Drobakhin OO, Zabolotnyi PI, Goreev NB. [Sensors based on biconical microwave resonators for monitoring the parameters of dielectrics. 19th Crimean conference. Microwave and telecommunication technologies (CriMiCo)]. Sevastopol': Krym. 2009; 1418: 775-776 p.
12. Alekseenko YaV, Monakhov AM, Rozhanskii IV. [Methods of the whispering gallery of a conical resonator]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2009; 79 (11): 72-76 p.
13. Baskakov SI. Elektrodinamika i rasprostraneniya voln. [Electrodynamics and wave propagation]. Moscow: Nauka. 1992; 207 p.
