Многорезонаторная хмелесушилка
MULTI-CAVITY HOP DRYER

Предлагаемое изобретение может быть использовано в хмелеводческих хозяйствах для сушки свежеубранного хмеля с сохранением потребительских свойств.
В России основным регионом производства хмеля является Чувашская Республика. Урожайность по районам колеблется от 16,6 до 19 ц/га. Многие агротехнические мероприятия по возделыванию хмеля механизированы, но хмелесушилки по прежнему работают с использованием конвективного тепла, например ХС-400 [1]. Такие хмелесушилки достаточно энергоемкие, и не сохраняют потребительские свойства хмеля из-за длительности процесса сушки. Нагретый воздух до 65°С не снижает развития микрофлоры, появление плесни. Из чего до 15% первосортный хмель переходит во второй сорт и ниже.
Известна установка для сушки с. х. продуктов (авторское свидетельство №1220605 [2]), где описаны метод и установка по сушке свежеубранного хмеля в электромагнитном поле высокой частоты (13,56 МГц, 27,12 МГц, 40,68 МГц). В устройстве заложен принцип поэтапного снятия влаги из шишек хмеля, находящихся в трех поярусно расположенных рабочих конденсаторах. Первый этап сушки происходит при напряженности электрического поля 0,05-0,07 кВ/см и температуре нагрева 31-34°С, второй этап сушки - при напряженности 0,1-0,2 кВ/см и температуре нагрева 37-46°С, третий этап сушки - при напряженности 0,2-0,3 кВ/см и температуре 65-75°С. Такая технология обеспечивает равномерную сушку хмеля с начальной влажностью 75-82% при чередовании цикла нагрева с циклом охлаждения, позволяющей снизить усадку и уплотнения слоя хмеля.
Недостатки. 1. В высокочастотном диапазоне сложно обеспечить электромагнитную безопасность, если установка непрерывно-поточного действия, и напряженность электрического поля не достаточная для снижения бактериальной обсемененности сырья.
Характерной особенностью конвективного и кондуктивного способов теплообмена является превалирование радиационного излучения. А при оценке параметров СВЧ установок радиационным излучением можно пренебречь.
Из анализа известных аналогичных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала оборудования обеспечивающего поэтапное обезвоживание и обеззараживание свежеубранного хмеля при сниженных эксплуатационных затратах путем энергоподвода в электромагнитном поле.
Технический результат изобретения - увеличение производительности хмелесушилки при сниженных эксплуатационных затратах и сохранении потребительских характеристик высушенного хмеля.
Для решения технической проблемы и получения заявленного результата многорезонаторная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле содержит в горизонтальной плоскости, последовательно соединенные, через керамические двояковыпуклые перфорированные четырехгранные плиты, тороидальные резонаторы в виде соосно расположенных эллиптических цилиндров разной высоты, и с двух сторон резонаторы треугольной призматической формы с вогнутыми верхними гранями,
причем основания внутренних эллиптических цилиндров перфорированы, в местах стыка резонаторов боковая поверхность наружных эллиптических цилиндров вырезаны, куда установлены керамические двояковыпуклые перфорированные четырехгранные плиты, имеющие отверстия шириной равной ширине транспортера и высотой равной высоте прорезей на усеченных конических резонаторах,
причем через двояковыпуклые плиты и резонаторы проложена рабочая ветвь сеточного радиопрозрачного транспортера, над которым расположен радиопрозрачный сеточный ограничитель, а электропривод транспортера расположен вне сушилки, при этом загрузочная и выгрузная емкости пристыкованы к соответствующим резонаторам треугольной призматической формы,
при этом магнетроны с воздушным охлаждением установлены с наружных сторон к поверхности тороидальных резонаторов со сдвигом на 120 градусов, а к треугольным призматическим резонаторам - на все наружные грани в области стыка резонаторов, причем ко всем резонаторам подведены воздуховоды от тепловой пушки и все резонаторы содержат воздухоотводы.
Отличительными признаками технического решения является то, что хмелесушилка содержит последовательно расположенные в горизонтальной плоскости резонаторы с криволинейными поверхностями, состыкованные через керамические двояковыпуклые перфорированные плиты.
Экономичность и производительность сушильной установки обеспечивается высоким уровнем передачи СВЧ мощности сырью и выбором конструкции резонатора. Небольшое значение отношения объема сырья к объему резонатора в значительной степени продиктовано необходимостью обеспечения устойчивой работы генератора на нагрузку с переменным входным сопротивлением, из-за существенной температурной зависимости объема, удельной теплоемкости, диэлектрических параметров.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:
фиг. 1 - пространственное изображение многорезонаторной хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле, общий вид
фиг. 2 - пространственное изображение многорезонаторной хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле, общий вид с позициями;
фиг. 3 - пространственное изображение многорезонаторной хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле (вид спереди в разрезе, с позициями);
фиг. 4 - схематическое изображение многорезонаторной хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле (вид спереди в разрезе);
фиг. 5 - треугольный призматический неферромагнитный резонатор с вогнутыми перфорированными верхними гранями;
фиг. 6 - тороидальный неферромагнитный резонатор без двух граней;
фиг. 7 - керамическая двояковыпуклая перфорированная четырехгранная плита.
Многорезонаторная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле содержит:
- загрузочная емкость 1 с заслонкой;
- треугольные призматические неферромагнитные резонаторы 2, 9 с вогнутыми верхними гранями;
- магнетроны на поверхности треугольных призматических резонаторов 3;
- воздухоотводы 4;
- внутренние неферромагнитные эллиптические цилиндры 5 с перфорированными основаниями;
- магнетроны на поверхности тороидальных резонаторов 6;
- наружный неферромагнитный эллиптический цилиндр 7 с вырезанными боковыми поверхностями;
- выгрузная емкость 8;
- воздуховод 10;
- сеточный радиопрозрачный транспортер 11;
- тепловая пушка 12 (калорифер с вентилятором);
- электропривод сеточного радиопрозрачного транспортера 13;
- керамическая двояковыпуклая перфорированная четырехгранная плита 14;
- радиопрозрачный сеточный ограничитель 15;
- прорезь для передвижения транспортера 16.
Многорезонаторная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле расположена в горизонтальной плоскости и содержит последовательно состыкованные объемные неферромагнитные резонаторы нетрадиционных конструкций. Первый 2 и последний 9 резонаторы выполнены в виде треугольных призматических неферромагнитных резонаторов с вогнутыми верхними гранями. Расположенные в середине сушильной установки соосно расположенные неферромагнитные эллиптические цилиндры 5, 7 выполнены в виде П-образных тороидальных резонаторов. Т.е. они собраны из соосно расположенных эллиптических наружных цилиндров 7 с вырезанными боковыми поверхностями и внутренних неферромагнитных эллиптических резонаторов 5. Причем эллипс симметричен относительно горизонтальной и вертикальной осей. Боковые поверхности наружных эллиптических неферромагнитных цилиндров 7 вырезаны по горизонтальной оси эллипса.
Все неферромагнитные резонаторы состыкованы между собой через керамические двояковыпуклые перфорированные четырехгранные плиты 14. Между нижними основаниями соосно расположенных эллиптических неферромагнитных наружных 7 и внутренних цилиндров 5 имеется промежуток, образующий конденсаторную часть каждого тороидального резонатора. При этом нижние основания внутренних эллиптических резонаторов 5 перфорированы.
В местах стыка резонаторов боковая поверхность наружных эллиптических цилиндров 7 вырезаны, куда установлены керамические двояковыпуклые перфорированные четырехгранные плиты 14, имеющие отверстия шириной равной ширине транспортера и высотой равной высоте прорезей 16, на усеченных конических резонаторах. Прорези сделаны на уровне критических сечений, за пределами которых излучение нет. Над рабочей ветвью установлен сеточный радиопрозрачный ограничитель 15.
Через двояковыпуклые керамические плиты 14 и неферромагнитные резонаторы проложена рабочая ветвь сеточного радиопрозрачного транспортера 11, электропривод 13 которого расположен вне сушилки. Загрузочная емкость 1 пристыкована к первому треугольному призматическому неферромагнитному резонатору 2, а выгрузная емкость - к второму треугольному призматическому резонатору 9.
Маломощные (700-850 Вт, частота 2450 МГц, длина волны 12,24 см) магнетроны 6, 3 с воздушным охлаждением установлены с наружных сторон к поверхности тороидальных резонаторов со сдвигом на 120 градусов, а к треугольным призматическим резонаторам 2, 9 - на все наружные грани в области стыка резонаторов. Ко всем неферромагнитным резонаторам подведены воздуховоды 10 с возможностью регулирования расхода воздуха и воздухоотводы 4, соединенные с тепловой пушкой 12, позволяющей регулировать температуру и расход воздуха. Каждое пространство между керамической двояковыпуклой перфорированной четырехгранной плитой и неферромагнитной поверхностью выполняет функцию металлодиэлектрического резонатора.
Технологический процесс сушки свежеубранного хмеля в многорезонаторной хмелесушилке с энергоподводом в электромагнитном поле происходит следующим образом. Включить электропривод 13 сеточного радиопрозрачного транспортера 11. Включить вентилятор с калорифером (тепловая пушка 12) на определенную производительность и температуру. Открыть заслонку в загрузочной емкости 1. Далее включить магнетроны 3, расположенные на поверхности первого треугольного призматического резонатора 2, если свежеубранный хмель начинает перемещаться с помощью транспортера 11. При этом сырье выравнивается по высоте и ограничивается по бокам с помощью сеточного радиопрозрачного ограничителя 15. Далее включить остальные магнетроны 6 и магнетроны на последнем призматическом резонаторе 9.
В объемных резонаторах возбуждаются электромагнитные поля сверхвысокой частоты, волны от каждого излучателя интерферируются, обеспечивая высокую напряженность электрического поля в конденсаторной части тороидальных резонаторов (важно для обеззараживания хмеля). Свежеубранный хмель в электромагнитном поле сверхвысокой частоты нагревается эндогенно, внутренняя влага за счет градиента температуры стремится к наружной поверхности частицы хмеля, которая удаляется теплым воздухом конвективным способом через соответствующие воздухоотводы 4, и через перфорированные основания внутренних эллиптических цилиндров 5. В каждом резонаторе имеются датчики влажности и температуры, позволяющие контролировать режим обезвоживания хмеля. За счет высокой напряженности электрического поля сырье обеззараживается в процессе обезвоживания. Высушенный в щадящем режиме с сохранением потребительских свойств хмель выгружается через прорез 16 в выгрузную емкость 8. После окончания процесса сушки, первую очередь выключить генераторы 3, 6 и калорифер. Далее остановить транспортер 11 и последнюю очередь выключить вентилятор 12.
Известно, что тороидальный резонатор обеспечивает меньшие потери. Поляризация диэлектрика приводит к изменению напряженности электрического поля. На частоте 2450 МГц поглощение энергии близко максимальному, что обеспечивает хорошее преобразование электромагнитной энергии в тепловую энергию.
Использование резонаторов треугольной призматической формы с вогнутой гранью 2, 9 повышает радиационную добротность (т.е. обусловленную потерями на излучение). От высоты призмы и угла около прорези зависит продольные координаты критического сечения [4]. В таких треугольных призматических резонаторах в области прорезей 16 образуются поверхности, от которых наблюдается полное отражение волн. Соблюдается электромагнитная безопасность при работе установки непрерывно-поточного действия.
-3
Использование керамических двояковыпуклых перфорированных четырехгранных плит 14, как части резонаторов позволяет поддерживать свободные электромагнитные колебания разных видов, удовлетворяющие граничным условиям (границы раздела сырье-воздух), т.е. условиям полного внутреннего отражения (малые радиационные потери) при диэлектрической проницаемости выше фторопласта (2,2). Керамика обладает малыми тепловыми потерями, так как тангенс угла диэлектрических потерь всего 3⋅10, следовательно, собственная добротность всех проектируемых резонаторов выше, чем без керамических двояковыпуклых поверхностей. Падающие и отраженные волны фокусируются в определенных местах, в зависимости от расположения излучателей, выпуклости плиты. Перфорация двояковыпуклых плит обеспечивает циркуляцию воздуха. Суммарный коэффициент поглощения энергии достигает максимального значения в тех зонах резонаторов, где падающий, отраженный и боковой потоки энергии соизмеримы [6]. При проектировании объемных резонаторов надо, чтобы размеры их обеспечивали совпадение спектра возбуждаемых в ней частот многомодового электромагнитного поля стоячих волн со спектром частот аномальных дисперсий свободной и связанной влаги на различных этапах их удаления из хмеля [6, стр. 264].
Для обеспечения технологического режима сушки свежеубранного хмеля рабочая камера собрана из последовательно соединенных резонаторов разной конструкции. В первом резонаторе сырье, выровненное по толщине, подвергается воздействию ЭМПСВЧ и обдувается теплым воздухом. При этом, через слой хмеля проходит подогретый воздух, подаваемый тепловой пушкой 12 через воздуховод 10 под сеточный радиопрозрачный транспортер 11. Происходит частичное удаление влаги с наружной поверхности сырья и нагрев до 31-34°С. Далее слой хмеля попадает в процессе передвижения транспортера в эллипсоидный тороидальный резонатор, где хмель нагревается до температуры 41-46°С. при такой температуре из шишек хмеля начинает выделяться свободная влага, которая удаляется теплым воздухом. Во втором тороидальном резонаторе шишки хмеля нагреваются до температуры 55-60°С, достаточной для удаления физико-химической связанной воды. В третьем коническом резонаторе шишки хмеля нагреваются до температуры 75°С, высыхают до влажности 8-9%, попадают выгрузную емкость 8.
Производительность хмелесушилки зависит от количества эллипсоидных тороидальных резонаторов, от мощности генераторов, калорифера и производительности вентилятора. Для обеспечения сушки хмеля в более щадящем режиме рекомендуется использовать несколько тороидальных резонаторов, где доза воздействия регулируется мощностью генераторов в процессе обезвоживания хмеля.
Выводы. По сравнению с прототипом предложенное решение позволяет увеличить производительность хмелесушилки при снижении эксплуатационных затрат и сохранении потребительских характеристик высушенного хмеля.
Источники информации:
1. Распоряжение №738-р об утверждении Концепции развития хмелеводства в Чувашской Республике на 2020-2025 годы. [Электронный ресурс]. Режим допуска: km.cap.ru>doc/laws/2020/08/20/disposal-738-r.
2. А.с. N 1220605 (СССР). Установка для сушки сельскохозяйственных продуктов / Г.В. Зайцев, К.П. Майоров. П.В. Зайцев //Бюл. изобретений N 12, 1986.
3. Патент №2161505/A61L 2/12, A61L 2/08/ Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа / Корчагин Ю.В.
4. Дробахин О.О. резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами // Радиофизика радиоастрономия, 2009, т. 14. №14, С. 433-441.
5. Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы - основные типы, характеристики, производители // Электроника,№4 (00154) 2016, С. 62-76.
6. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.: Агропромиздат.1985. 336 с.