Россия
Россия
Россия
Казань, Республика Татарстан, Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Исследования проводили с целью разработки параметров двухрезонаторной сверхвысокочастотной (СВЧ) установки, обеспечивающей электромагнитную безопасность при непрерывной работе, позволяющей размораживать молозиво животных в электромагнитном поле бегущей волны и равномерно разогревать его в поле стоячей волны. СВЧ установка представляет собой устройство с поярусно расположенными рабочими камерами в виде кольцевого и конического резонаторов, содержащими соответственно диэлектрические контейнеры и диэлектрические конические тарелки. Для равномерной дефростации молозива в пластиковых бутылках, их следует перемещать в кольцевом резонаторе, а магнетроны располагать со сдвигом на 120° по периметру. В этом случае результирующая напряженности электрического поля, состоящего из нескольких исходных полей будет равна векторной сумме их напряженностей. Для достижения высокой скорости нагрева сырья в области положительных температур необходимо обеспечить условие нагрева тонкого слоя жидкости путем соосного расположения конических диэлектрических тарелок. Для загрузки замороженного сырья в пластиковых бутылках, диаметром менее 8 см, необходимо установить на верхнем основании кольцевого резонатора запредельный волновод диаметром 8 см и длиной до 15 см. Это обеспечит безопасный уровень излучения менее 10 мкВт/см2 при круглосуточной работе с установкой. От кольцевого резонатора мощностью 2400 Вт через загрузочное прямоугольное отверстие размером a x b распространяется электрическое поле в виде сферической волны. На расстоянии 1,7 м оно практически отсутствует
размораживание коровьего молозива, кольцевой резонатор с перфорированным основанием, непрерывно-поточное действие
Введение. Замороженное молоко хранится до 12 мес. [1, 2], после этого его можно разморозить, нагреть до температуры 38…39 °С и выпаивать телят. Разработана СВЧ установка с кольцевым резонатором для размораживания и разогрева коровьего молозива в непрерывном режиме (патент № 2734618). К кольцевому резонатору пристыкованы магнетроны, приёмный резервуар для измельченного замороженного сырья и запредельный волновод с шаровым краном. Резонатор расположен вертикально и разделен диэлектрическими перфорированными пластинами на два отсека: для дефростации и разогрева молозива. Магнетроны размещены со сдвигом на 120° один по отношению к другому, по периметру кольцевого резонатора. Средняя длина кольца резонатора равна целому числу волн и разделена на равные промежутки между излучателями, каждый из которых по длине соответствует целому числу волн [3, 4, 5]. Различия в длительности процессов размораживания и разогрева молозива обусловлены тем, что изменение диэлектрических параметров в зависимости от агрегатного состояния и объема сырья не согласовано с глубиной проникновения волны. Для достижения высокой скорости нагрева сырья в области положительных температур необходимо предусмотреть условие нагрева тонкого слоя жидкости.
На основе анализа СВЧ-установок для дефростации и разогрева молозива животных разработана сверхвысокочастотная техника [6, 7, 8].
Цель исследований – разработка параметров сверхвысокочастотной установки, позволяющей размораживать молозиво животных в электромагнитном поле бегущей волны и равномерно разогревать его в поле стоячей волны.
Для ее достижения решали следующие задачи:
обосновать параметры запредельного волновода для подачи молозива, замороженного в пластиковых бутылках, в кольцевой резонатор и выгрузки пустых бутылок;
изготовить сверхвысокочастотную установку непрерывно-поточного действия, позволяющую размораживать и разогревать молозиво животных с учетом его агрегатного состояния и температуры фазового превращения в отдельных резонаторах;
исследовать изменение мощности потока излучения по высоте установки при расстоянии до точки замера 0,5 м, 1,0 м, 1,7 м и аналогичной высоте от пола.
Условия, материалы и методы. Результаты многочисленных исследований процесса дефростации и разогрева коровьего молозива свидетельствуют, что эти процессы должны осуществляться в двух отдельных резонаторах, обеспечивающих разные дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частот (ЭМП СВЧ). Один из них предназначен для дефростации от минус 15 °С до 0 °С, другой − для подогрева до 38…39 °С [9, 10]. Авторами разработаны и испытаны установки с разным конструкционным исполнением объемных резонаторов, позволяющих реализовать основные критерии проектирования СВЧ установки (непрерывность технологического процесса, высокая собственная добротность резонатора, высокая напряженность электрического поля и др.) [11, 12].
Созданная СВЧ установка (см. рисунок) содержит два ярусно расположенных резонатора. Первый из них имеет вид кольцевого резонатора с перфорированным основанием и диэлектрическими контейнерами, второй – конического резонатора с соосно расположенными диэлектрическими коническими тарелками. Магнетроны кольцевого резонатора размещены по его периметру на верхнем основании со сдвигом на 120° один относительно другого, конического резонатора – аналогичным образом по периметру его нижнего основания. Такое расположение магнетронов позволяет избежать передачи энергии из одного ввода в другой. А по принципу суперпозиции полей результирующая напряженности электрического поля, состоящего из нескольких исходных полей, равна векторной сумме их напряженностей [13].
Запредельный волновод для подачи замороженного сырья в пластиковых бутылках в кольцевой резонатор расположен на верхнем основании, для выгрузки пустых бутылок – прикреплен к его нижнему перфорированному основанию. Основание конического резонатора пристыковано к перфорированному основанию кольцевого резонатора, так, что жидкое молозиво стекает в него. Для достижения высокой скорости нагрева сырья в области положительных температур необходимо обеспечить условие нагрева тонкого слоя жидкости с помощью соосно расположенных конических диэлектрических тарелок. На вершине конического резонатора установлен шаровой кран для слива разогретого до 38…40 оС молозива. Рядом с шаровым краном расположена термопара для контроля температуры. Это возможно благодаря тому, что конические резонаторы ближе к вершине имеют критическое сечение, за которым ЭМП СВЧ отсутствует.
Для транспортирования замороженного сырья в кольцевом резонаторе установлены передвижные диэлектрические цилиндры с размерами пластиковых бутылок. Продолжительность воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (12,24 см, 2450 МГц) на сырье регулируется ступенчатым переключением частоты вращения вала мотора-редуктора МЭО-6,3/12,5-0,25 М 99У.14. При оценке распределения электрического поля за пределами установки использовали методики Г.Б. Белоцерковского, С.И. Баскакова, А.В. Нетушила, Ю.Н. Пчельникова, И.А. Рогова.
Уровень излучения в окружающее пространство контролировали прибором ПЗ-33М (до 18000 МГц, 615 В/м). Плотность потока энергии (мкВ/см2) около СВЧ установки измеряли на расстоянии от нее 0,5 м, 1,0 м, 1,7 м и на аналогичной высоте от пола.
Эффективность экранирования корпуса кольцевого резонатора определяли по методике А.В. Нетушила [14]:
(1)
где А = 18,8∙103 Ом/м3;
σ – удельная проводимость алюминия (36∙106 См/м);
∆ = 1,72∙10-5 м − толщина поверхностного слоя, м;
S – площадь поверхности кольцевого резонатора (1,4 м2);
d = 2∙10-3 м2.
Результаты и обсуждение. Технологический процесс дефростации и разогрева молозива животных в СВЧ установке происходит следующим образом. Включается электропривод для перемещения диэлектрических контейнеров в кольцевом резонаторе. Закрывается шаровой кран. Через запредельный волновод загружаются диэлектрические бутылки (вверх дном без крышек) с замороженным сырьем. Включаются магнетроны, излучатели которых направлены в кольцевой резонатор. В процессе перемещения диэлектрических контейнеров, загружаются очередные бутылки с замороженным сырьем. В кольцевом резонаторе возбуждается ЭМП бегущей волны, под действием которого замороженное сырье послойно размораживается в соответствии с глубиной проникновения электромагнитного поля и стекает через отверстия перфорации основания в конический резонатор. Затем включаются магнетроны, излучатели которых направлены в конический резонатор. Бутылки с сырьем перемещаются в кольцевом пространстве и опустошаются по мере дефростации замороженного сырья к концу полного оборота контейнеров, после чего выпадают за пределы кольцевого резонатора через отверстие в перфорированном основании.
Жидкое сырье накапливается в межтарельчатом пространстве конического резонатора, подвергается воздействию ЭМП СВЧ, разогревается до 38…40 оС и через шаровой кран дозированно сливается в приемный резервуар. В обоих резонаторах возбуждается электрическое поле высокой напряженности, достаточной для снижения бактериальной обсемененности продукта.
Уровень загрузки кольцевого резонатора зависит от диэлектрической проницаемости замороженного молозива, которая растет в процессе дефростации от минус 10 до 0 оС с 10 до 53. В коническом резонаторе в процессе разогрева от 0 до 40 оС, диэлектрическая проницаемость падает [13].
Результаты измерения мощности потока излучения около СВЧ установки при работе трех генераторов, расположенных на кольцевом резонаторе, в процессе дефростации коровьего молозива свидетельствуют о ее электромагнитной безопасности. При непрерывном круглосуточном воздействии ЭМП СВЧ предельно допустимый уровень (ПДУ) составляет 10 мкВт/см2 [15]. При 2 часовом воздействии ПДУ электромагнитного поля равен 100 мкВт/см2. Мощность потока СВЧ излучения на расстоянии 0,5…1,7 м от установки составляет 35,50…257,39 мкВт/см2. Поток излучения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. На расстоянии 1,7 м его уровень был ниже нормы.
Эффективность экранирующего корпуса кольцевого резонатора из алюминия, рассчитанная по формуле (1), достаточно высокая
( ) и составляет порядка 3,26 ∙104.
С целью предотвращения излучения через запредельный волновод был проведен расчет его диаметра и длины. Радиус запредельного волновода (R), в соответствии с диаметром пластиковых бутылок, равен 3…4 см. Погонное затухание на каждом сантиметре длины запредельного волновода Н11 с учетом ранее установленных величин [15] составит: L = 16/R = 16/(3…4) = (4…5,3) дБ/см [14]. При мощности СВЧ генератора 2,4 кВт, допустимая мощность вне запредельного волновода равна 2,4 мкВт, следовательно, на длине волновода l должно быть ослабление 2,4 кВт/2,4 мкВт = 106 раз. Исходя из этого длина запредельного волновода с учетом [15]: l = 60/L = 60/(4…5,33) = 11…15 см. В таком случае может быть обеспечен безопасный уровень излучения.
Если излучение электромагнитных волн идет из прямоугольного отверстия размерами 2a х 2b (при отсутствии запредельного волновода), то можно воспользоваться теоретическим подходом на основе формулы Кирхгофа, согласно которой решение скалярного уравнения в произвольной точке, находящейся внутри замкнутой поверхности S, выражается интегралом [16, 17]. Рассмотрим поле, существующее на расстоянии от кольцевого резонатора большем длины волны λ (12,24 см). Проанализируем относительно составляющей Еу вектора напряженности электрического поля в точке наблюдения Р:
(2)
где д/дz− производная по направлению внутренней нормали; r − длина отрезка между точкой наблюдения Р и переменной точкой интегрирования, м;
Проведем интегрирование по площади отверстия при условии, что Q – точка на отверстии с координатами x, y, z; Р – точка наблюдения с координатами ζ, η, ϛ. Тогда:
(3)
Обе производные, входящие в выражение, равны:
(4)
где Ео – напряженность электрического поля в кольцевом резонаторе,
ϑ – угол между нормалью к загрузочному отверстию и отрезком РQ.
(5)
Тогда
(6)
(7)
Из формулы (7) следует, что в точке наблюдения (Р) есть суперпозиция полей от бесконечно малых излучающих площадок. Если расстояние от центра загрузочного отверстия до точки наблюдения обозначим через ro, то:
(8)
где ϑ1 и ϑ2 − углы, образованные вектором ro и осями х и у соответственно.
Тогда:
(9)
Как видно из формулы (9), исследуемое электрическое поле представляет собой неоднородную сферическую волну с максимумом излучения вдоль оси системы. Угловые зависимости поля в обеих взаимно перпендикулярных плоскостях имеют лепестковую структуру. Они выражены тем сильнее, чем больше параметры прямоугольного загрузочного отверстия (βα и βb).
Это находит подтверждение при проведении расчетов по методике Г.Б. Белоцерковского [18]. Если считать, что пространство вокруг СВЧ установки – неограниченная однородная среда без потерь, а излучатель точечный и, следовательно, абсолютно ненаправленный (изотропный), то при мощности излучения Ризл. плотность потока мощности на расстоянии R от излучателя равна:
рплот. = Ризл. / 4π∙ R2. (10)
Тогда с учетом модуля вектора Умова-Пойнтинга рплотн. = Е2 /240 ∙π, напряженность электрического поля:
Е = (60 ∙Ризл. / R)0,5. (11)
В нашем случае Е = (60 ∙2400/ 1,7)0,5 = 290 В/м. Если напряженность электрического поля в кольцевом резонаторе достигает 600…1000 В/см, то на расстоянии R =1,7 м от резонатора она составит всего 2,9 В/см, или почти отсутствует.
Выводы. Для загрузки замороженного сырья в пластиковых бутылках, диаметром менее 8 см, необходимо установить на верхнем основании кольцевого резонатора запредельный волновод диаметром 8 см и длиной до 15 см. Это обеспечит безопасный уровень излучения менее 10 мкВт/см2 при круглосуточной работе с установкой. От кольцевого резонатора, мощностью 2400 Вт, через загрузочное прямоугольное отверстие, размером a x b распространяется электрическое поле в виде сферической волны. На расстоянии 1,7 м оно практически отсутствует.
1. Нативное и ферментированное коровье молозиво как компонент продуктов функционального назначения / Т. Н. Головач, О. Г. Козич, В. А. Асафов и др. // Труды Белорусского государственного университета. Серия: физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. 2014. Т. 9. № 2. С. 224-235
2. The effect of colostrum storage conditions on dairy heifer calf serum immunoglobulin G concentration and preweaning health and growth rate / C. Cummins, D. P. Berry, J. P. Murphy, et al. // Journal of Dairy Science Vol. 100 No. 1, 2017. P. 525-535.
3. Исследование параметров двухрезонаторной СВЧ установки для дефростации и подогрева коровьего молозива / Г. В. Новикова, Б. Г. Зиганшин, О. В. Михайлова и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 1 (61). С. 77-83.
4. Шамин Е. А., Зиганшин Б. Г., Белова М. В. Разработка аэродинамической сушилки пушно-мехового сырья с сверхвысокочастотным энергоподводом // Вестник НГИЭИ. 2017. № 10 (77). С. 64-71.
5. Разработка и обоснование параметров многоярусной сверхвысокочастотной установки для термообработки влажного сырья в непрерывном режиме / Г. В. Жданкин, В. Ф. Сторчевой, Б. Г. Зиганшин и др. // Научная жизнь. 2017. № 4. С. 4-13.
6. Просвирякова, М. В. Анализ СВЧ-установок для дефростации и подогрева молозива животных / М. В. Просвирякова, В. Ф. Сторчевой, Г. В. Новикова и др. // Вестник НГИЭИ. 2021. №3(118). С. 52-69.
7. Исследование параметров двухрезонаторной СВЧ установки для дефростации и подогрева коровьего молозива / Г. В. Новикова, Б. Г. Зиганшин, О. В. Михайлова и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 1 (61). С. 77-83.
8. Белова М. В., Зиганшин Б. Г. Повышение эффективности функционирования многомодульных агрегатов для агроинженерных технологий // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2013. Т. 8. № 3 (29). С. 49-52.
9. Патент № 2694944 РФ, МПК А47J.39/00. Микроволновая установка для размораживания коровьего молозива / Г. В. Новикова, Д. В. Поручиков, А. Н. Васильев и др.; заявитель и патентообладатель ФГБНУ «ФНАЦ ВИМ» (RU). № 2018143727; заявл. 11.12. 2018. Бюл. № 20 от 18.07.2019.
10. Патент № 2744423 РФ, МПК А47J.39/00. СВЧ установка непрерывно-поточного действия с коническими резонаторами для размораживания и разогрева коровьего молозива /Новикова Г.В., Просвирякова М.В., Михайлова О.В. и др.; заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). № 2020131230; заявл. 10.09.2020. Бюл. № 7 от 09.03.2021.
11. Тихонов А. А., Осокин В. Л. Рабочие камеры СВЧ установок для термообработки сырья в непрерывном режиме с соблюдением электромагнитной безопасности // Материалы конференции «Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК». М.: РГАУ-МСХА, 2019. С. 111-119.
12. Новикова Г. В., Михайлова О. В., Зайцев С. П. Разработка микроволновой технологии и установки для размораживания и разогрева коровьего молозива // Вестник Чувашской сельскохозяйственной академии. 2020. № 3 (14). С. 90-94.
13. Рогов И.А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 288 с.
14. Нетушил А.В. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. М.: Энергоиздат, 1949. 400 с.
15. Пчельников Ю. Н. Электроника сверхвысоких частот. М.: Радио и связь, 1981. 96 с.
16. Электромагнитные поля и микроволновые технологии: Учебное пособие / М. В. Просвирякова, О. В. Михайлова, Е. А. Шамин и др. Княгинино: Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, 2020. 160 с.
17. Баскаков С.И. Сборник задач по курсу «Электродинамика и распространение радиоволн». М.: Высшая школа, 1981. 208 с.
18. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Основы радиотехники. М.: Советское радио, 1979. Ч.1. 368 с.
