Хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева
CONTINUOUS-FLOW HOP DRYER WITH ENDOGENOUS-CONVECTIVE HEATING SOURCES

Предлагаемое изобретение может быть использовано в хмелеводческих хозяйствах для сушки свежеубранного хмеля с сохранением потребительских свойств.
Мировое производство хмеля в последнее время колеблется в пределах 80-115 тыс. тонн при занимаемой площади 54-57 тыс. га [1]. Известна Российская хмелесушилка ХС-400» [2], реализующая конвективный способ сушки.
Известны и другие способы сушки хмеля: сублимационный, высокочастотный, инфракрасными лучами, и т.п. Наибольшее распространение получили хмелесушилки, основанные на конвективном способе. Но этот способ не эффективен в связи с уменьшением влагопоглотительной способности атмосферного воздуха в осенний период. Из-за длительности процесса сушки снижаются потребительские характеристики хмеля, нагретый воздух до 65°С не снижает развития микрофлоры, появление плесни. Поэтому до 15% первосортный хмель переходит во второй сорт и ниже.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству относится авторское свидетельство №1220605 [3], где описаны метод и техническое устройство по сушке свежеубранного хмеля в электромагнитном поле высокой частоты (13,56 МГц, 27,12 МГц, 40,68 МГц). Доказано, что такой способ обеспечивает снижение потерь альфа-кислоты на 10%, сокращение продолжительности сушки, уменьшение удельного расхода энергии на один килограмм испаряемой влаги по сравнению с существующими хмелесушилками. Производительность высокочастотной хмелесушилки, в зависимости от начальной и конечной влажности хмеля составляет 2,6-2,9 кг/ч, или 2,1-2,4 кг/ч испаренной воды на 1 кВт мощности генератора. 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 (т.е. при соблюдении скважности технологического процесса). Соблюдение скважности позволяет снизить усадку и уплотнения слоя хмеля.
Недостатки. 1. В высокочастотном диапазоне сложно обеспечить электромагнитную безопасность, если установка непрерывно-поточного действия.
2. При таком уровне напряженности электрического поля достичь улучшения микробиологических показателей хмеля затруднительно. В работе Корчагина Ю.В. [4] доказано, что для обеспечения существенного нагрева микроорганизма, даже в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, напряженность электрического поля должна быть выше 0,8-1 кВ/см.
Только такая напряженность ЭП позволит добиться примерного равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи энергии микроорганизмами размером 1 мкм. Следовательно, при высокой напряженности ЭП возможен губительный эндогенный нагрев одиночных микроорганизмов. С учетом выше приведенных доводов, разработка хмелесушилки непрерывно-поточного действия для сушки свежеубранного хмеля эндогенно-конвективным способом, при сниженных эксплуатационных затратах с сохранением потребительских характеристик, актуальна.
При эндогенном нагреве с целью сушки, качество хмеля существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных частей прекращается, так как тангенс угла диэлектрических потерь прямо пропорционален влажности [5]. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки, потери сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках рассыпного хмеля, где сохранилась повышенная влажность.
Для того, чтобы применение СВЧ-энергии оправдалось, необходимо использовать магнетроны с воздушным охлаждением и с высоким КПД, а конструкция объемного резонатора должна, при работе хмелесушилки непрерывно-поточного действия, обеспечить электромагнитную безопасность. Объем каждого резонатора должен быть достаточно большим, для того, чтобы через него транспортировать значительное количество хмеля. Если линейные размеры резонатора 10-20 раз превышают длину волны генератора, то в нем возбуждается несколько видов колебаний, т.е. резонатор многомодовый. Происходит интерференция поле, в результате в некоторых точках сильные поля, а в других - слабые, т.е. поле будет неравномерное. Поэтому решается задача оптимизации конструкционного исполнения и размеров резонаторов, при которых в нем можно возбуждать только определенные виды колебаний, а за счет интерференции достичь более равномерного поля по объему сушильной камеры.
Рассматривается способ достижения равномерности поля, применяя генераторы, работающие на близких частотах (915 МГц, 2375 МГц, 2450 МГц.) Известно, что чем ближе расположены виды колебаний по шкале длин волн в многомодовом резонаторе, тем равномернее поле, следовательно, происходит равномерный нагрев сырья, даже в случае при слабой загрузке резонатора сырьем с малым значением диэлектрической проницаемости [6]. При этом основной длиной волны из длин 32,79 см, 12,63 см, 12,24 см обосновали волну с длиной 12,24 см, как волну, с минимальной глубиной проникновения в сырье.
Из анализа известных аналогичных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала оборудования непрерывно-поточного действия с магнетронами воздушного охлаждения и с обоснованными конструкционно параметрами для сушки свежеубранного хмеля, обеспечивающей электромагнитную безопасность без экранирующего корпуса.
Технический результат изобретения - сохранение потребительских характеристик высушенного хмеля при улучшении его микробиологических показателей.
Для решения технической проблемы и получения заявленного результата хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева характеризующаяся тем, что содержит последовательно состыкованные в горизонтальной плоскости резонаторы с вогнутыми боковыми поверхностями и диэлектрическими выпуклыми перфорированными общими основаниями, и генераторами, работающими на близких разрешенных частотах сверхвысокочастотного диапазона, с максимальной частотой 2450 МГц,
причем, к выполненному в виде гиперболоида резонатору с двух сторон пристыкованы вогнутые параболоиды-резонаторы, образуя сушильную камеру,
при этом диаметры оснований резонаторов и их длины кратны половине волны генератора с максимальной частотой, при этом вдоль сушильной камеры, внутри П-образного жестко закрепленного к ее корпусу радиопрозрачного ограничителя, проложена рабочая ветвь сетчатого радиопрозрачного транспортера, а его холостая ветвь с электроприводом расположена за пределами сушильной камеры,
причем к стыку с одной стороны основания гиперболоида-резонатора с параболоидом-резонатором, с нижней стороны сушильной камеры, пристыкован запредельный волновод-воздуховод с заслонкой, куда прикреплена тепловая пушка, а к стыку с другой стороны основания гиперболоида-резонатора с другим параболоидом-резонатором, с верхней стороны сушильной камеры, пристыкован запредельный волновод-воздухоотвод,
при этом по периметру оснований обоих параболоидов-резонаторов и по периметру окружности малого диаметра гиперболоида-резонатора со сдвигом на 120 градусов расположены магнетроны с воздушным охлаждением, излучатели которых в каждом резонаторе возбуждают поля близких частот,
а, вершины, обоих параболоидов-резонаторов усечены на уровне критического сечения и имеют отверстия, шириной для прохождения рабочей ветви транспортера с сырьем, но высотой не более половины длины волны генератора с максимальной частотой.
Предлагаемая хмелесушилка содержит последовательно расположенные в горизонтальной плоскости резонаторы с вогнутыми поверхностями и диэлектрическими выпуклыми перфорированными основаниями, и генераторами, работающими на близких частотах.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:
фиг. 1 - пространственное изображение хмелесушилки непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева, общий вид;
фиг. 2 - пространственное изображение хмелесушилка с источниками эндогенно-конвективного нагрева (вид спереди в разрезе);
фиг. 3 - сушильная камера с магнетронами, воздуховодом и воздухоотводом;
фиг. 4 - параболоид-резонатор;
фиг. 5 - гиперболоид-резонатор;
фиг. 6 - сеточный радиопрозрачный ограничитель;
фиг. 7 - выпуклый (как линза) перфорированный диэлектрический диск (вид сбоку).
фиг. 8 - выпуклый перфорированный диэлектрический диск (вид спереди).
Хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева содержит:
- первый параболоид-резонатор из неферромагнитного материала 1;
- магнетроны на поверхности первого параболоида 2;
- гиперболоид-резонатор 3 из неферромагнитного материала;
- магнетроны с воздушным охлаждением на поверхности гиперболоида 4;
- запредельный волновод-воздухоотвод 5;
- магнетроны с воздушным охлаждением на поверхности второго параболоида-резонатора 6;
- параболоид-резонатор 7 из неферромагнитного материала;
- прорезь на вершине второго параболоида-резонатора 8 (на вершине первого параболоида также имеется прорезь);
- П-образный сетчатый ограничитель из радиопрозрачного материала 9;
- рабочая ветвь сетчатого транспортера из радиопрозрачного материала 10;
- электропривод 11 сетчатого транспортера;
- холостая ветвь 12 сетчатого транспортера с натяжными узлами;
- диэлектрический (из керамики или из сапфира) перфорированный выпуклый с обеих сторон диск 13, 17;
- запредельный волновод-воздуховод 14;
- тепловая пушка 15 (калорифер с вентилятором);
- сушильная камера 16;
- приемная емкость для хмеля 18.
-2
Хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева собрана из трех последовательно соединенных секций (фиг. 1, 2, 3). Первая и третья секции представлены в виде параболоидов 1 и 7, выполненных из неферромагнитного материала (например, из алюминия, меди). Вторая секция представлена в виде гиперболоида 3 из неферромагнитного материала. Оба параболоида-резонатора (фиг. 4) с основаниями состыкованы с основаниями гиперболоида 3 (фиг. 5) и образуют горизонтально расположенную сушильную (рабочую) камеру 16. Причем диаметры оснований резонаторов и их длины кратны половине основной длины волны. Вдоль этой камеры расположена рабочая ветвь 10 сетчатого радиопрозрачного транспортера, а его холостая ветвь 12 с электроприводом 11 и натяжными узлами проложены за пределы сушильной камеры. По всей длине сушильной камеры 16 расположен сетчатый П-образный ограничитель 9 из радиопрозрачного материала (фиг. 6), позволяющий передвигать в нем рабочую ветвь сетчатого транспортера 10. Ограничитель 9 жестко закреплен на внутренних стенках сушильной камеры 16. К стыку оснований первого параболоида-резонатора 1 и гиперболоида-резонатора 3 с нижней стороны сушильной камеры 16 пристыкован запредельный волновод-воздуховод 14 с заслонкой, куда прикреплена тепловая пушка 15. К стыку оснований второго параболоида-резонатора 7 и гиперболоида-резонатора 3 с верхней стороны сушильной камеры 16, пристыкован воздухоотвод. Он одновременно выполняет функцию запредельного волновода 5. По периметру оснований обоих параболоидов-резонаторов 1, 7 со сдвигом на 120 градусов расположены генераторы 2 с воздушным охлаждением, излучатели которых направлены в соответствующие резонаторы. Причем генераторы работают на близких разрешенных частотах сверхвысокочастотного диапазона. По периметру окружности малого диаметра гиперболоида-резонатора 3 со сдвигом на 120 градусов установлены генераторы 4, которые также работают на близких частотах. Резонаторы 1, 3, 7 разделены с помощью диэлектрических (керамических) перфорированных выпуклых дисков 13, 17 (фиг. 7, 8). Они служат основаниями резонаторов. Из-за малых значений тангенса угла диэлектрических потерь (3,2⋅10) и диэлектрической проницаемости (6-12) образуются металлодиэлектрические резонаторы, обладающие высокой собственной добротностью, чем объемные резонаторы из неферромагнитного материала. К тому же малое значение тангенса угла диэлектрических потерь позволяет снизить потери. Каждое пространство между неферромагнитной выпуклой боковой поверхностью и выпуклым диэлектрическим перфорированным основанием выполняет функцию металлодиэлектрического резонатора. В каждом резонаторе по три излучателя от трех генераторов, работающих на близких частотах.
Диски 13, 17 по центру имеют отверстия, размером П-образного ограничителя 9. Вершины обоих гиперболоидов-резонаторов 1, 7 усечены на уровне критического сечения и имеются отверстия 8 шириной для прохождения рабочей ветви транспортера 10 сырьем 18, но высотой не более половины основной длины волны. Размеры резонатора подбираются таким образом, чтобы в сужающихся частях возникли условия отсечки для высших типов колебаний. Вследствие этого в данных структурах создаются условия для возникновения резонансных колебаний за счет переотражений электромагнитных волн высших порядков от критических сечений, в которых выполняется условие отсечки [7, стр. 63]. В области оснований резонаторов 1, 7 существуют волны, постоянные распространения которых уменьшаются в случае удаления от основания. Около вершин параболоидов-резонаторов образуются поверхности (критическое сечение), от которых наблюдается полное отражение волн. Это позволяет создавать отверстия в зауженной части резонатора (на вершинах обоих параболоидов-резонаторов) для внесения сырья внутрь первого параболоида-резонатора 1 и вывода из второго параболоида-резонатора 7. Причем критические сечения располагаются на значительном расстоянии от вершин параболоидов-резонаторов, что позволяет создавать отверстия для передвижения транспортера с сырьем, практически не нарушая структуры электромагнитного поля. При этом, необходимо учесть сложную зависимость параметров резонатора от диэлектрических свойств свежеубранного хмеля, которая приводит к смещению месторасположения критических сечений в сторону вершины. Это значит, что размеры отверстия с одной стороны должны быть согласованы с размерами транспортера, а с другой - с месторасположением критического сечения.
Процесс сушки свежеубранного хмеля происходит следующим образом. Включить тепловую пушку 15 для подачи воздуха в сушильную камеру определенного напора и температурой 30-65°С. Включить электропривод 11 сетчатого радиопрозрачного транспортера 10, 12, после чего с приемной емкости 18 шишки хмеля начинают равномерно высыпаться на рабочую ветвь 10.
Включить вентиляторы (не показаны) для охлаждения магнетронов (2, 4), сверхвысокочастотные генераторы (электронные блоки, пусковая и защитная аппаратура, расположены в шкафу управления). В каждом резонаторе возбуждаются электромагнитные поля от генераторов, работающих на близких сверхвысоких частотах, происходит интерференция волн. Боковые поверхности всех трех резонаторов 1, 3, 7 имеют вогнутые конфигурации, радиусом кратным половине основной длины волны. В резонаторах с криволинейными поверхностями электромагнитные поля формируются волнами, распространяющимися внутри керамического (или сапфира) основания (13, 17) и падающими на боковую криволинейную неферромагнитную поверхность волнами. Эти резонаторы похожи с металлодиэлектрическими резонаторами. В таких резонаторах с криволинейными поверхностями повысить собственную добротность можно, благодаря уменьшению продольных токов в стенках (зеркальные внутренние неферромагнитные поверхности, выполненные, например из меди). При этом их коэффициент отражения близок к единице [8].
2
Под воздействием ЭМПСВЧ шишки хмеля эндогенно нагреваются равномерно по всему сечению, так как глубина проникновения волн разной частоты соизмерима с размерами шишек хмеля. В связи с тем, что градиенты температуры, влажности и давления направлены с центра к периферии шишек, выделенная влага с поверхности удаляется теплым воздухом, через волновод-воздухоотвод 5. В процессе перемещения сетчатого транспортера 10 вдоль сушильной камеры слой шишек продувается теплым воздухом, поданным через запредельный волновод-воздуховод 14 и распространяющимся через перфорации диэлектрических дисков 13, 17 по всему объему сушильной камеры 16 до воздухоотвода 5. Таким образом, шишки хмеля подвергаются эндогенно-конвективному нагреву, высушиваются и выгружаются за пределами сушильной камеры. Во всех трех секциях (1, 3, 7) доза воздействия ЭМПСВЧ, температура и напора подаваемого воздуха контролируются и регулируются в зависимости от влажности хмеля путем изменения мощности генераторов и скорости передвижения транспортера. Мощность потока излучений через отверстия 8 контролируется с помощью прибора П3-33, допустимая мощность потока излучений 10 мкВт/см, а при превышении этой нормы, сокращается продолжительность работы обслуживающего персонала. Использование запредельных волноводов 14, 5, размеры которых согласованы с длиной основной волны, и выполнение резонаторов из неферромагнитных материалов определенной толщины (2,5-4 мм) обеспечивает соблюдение норм электромагнитной безопасности. В области зауженных частей резонаторов (1, 3, 7) напряженность электрического поля достаточно высокая, чтобы ограничить жизнедеятельность микроорганизмов [4]. Поэтому в начале технологического процесса скорость эндогенного нагрева шишек выше, далее она снижается по мере передвижения к максимальному диаметру параболоида-резонатора 1. Потом вновь скорость нагрева шишек начинает расти до середины гиперболоида-резонатора 3 и вновь идет повторение цикла повышения и понижения температуры сырья до достижения им отверстия 8 на выходе. Использование генераторов, работающих на близких частотах, и плавное четырехкратное изменение скорости нагрева позволит исключить неравномерный нагрев шишек по сечению и толщине слоя на транспортере.
Выводы. Инновационная идея состоит в том, что хмелесушилка, расположенная в горизонтальной поверхности, представлена как последовательно расположенные металлодиэлектрические резонаторы, выполненные с вогнутыми боковыми поверхностями из неферромагнитного материала и диэлектрическими основаниями, содержащие генераторы, работающие на близких частотах 915 МГц, 2375 МГц, 2450 МГц.
Основным критерием при конструировании хмелесушилки является непрерывно-поточный режим работы с обеспечением высокой напряженности электрического поля и электромагнитной безопасности без дополнительного экранирующего корпуса при использовании магнетронов воздушного охлаждения. Разработанная трехсекционная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками конвективного тепла и сверхвысокочастотными генераторами, расположенными на металлодиэлектрических резонаторах с криволинейными поверхностями, обеспечивает сушку хмеля в щадящем режиме благодаря соблюдению скважности технологического процесса нагрева сырья с разной скоростью в электромагнитных полях возбужденных генераторами, работающими на близких сверхвысоких частотах.
По сравнению с прототипом комбинированный эндогенно-конвективный нагрев шишек хмеля с использованием сетчатого радиопрозрачного ограничителя позволяет сохранить потребительские характеристики высушенного хмеля и улучшить микробиологические показатели, благодаря возможности обеспечения высокой напряженности электрического поля в нетрадиционных резонаторах.
Отверстия для подачи свежеубранного хмеля в сушильную камеру и выгрузки, выполненные на уровне критического сечения параболоидов-резонаторов, обеспечивают электромагнитную безопасность без дополнительного экранирующего корпуса.
Источники информации:
1. Перспективная ресурсосберегающая технология производства хмеля: Методические рекомендации. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 52 с. rosinformagrotech.ru>…24…perspektivnaya…khmelya.
2. Распоряжение №738-р об утверждении Концепции развития хелеводства в Чувашской Республике на 2020-2025 годы. [Электронный ресурс]. Режим допуска: km.cap.ru>doc/laws/2020/08/20/disposal-738-r.
3. А.с. N 1220605 (СССР). Установка для сушки сельскохозяйственных продуктов / Г.В. Зайцев, К.П. Майоров. П.В. Зайцев //Бюл. изобретений N 12, 1986.
4. Патент №2161505/А61L 2/12, A61L 2/08/ Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ-излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа / Корчагин Ю.В. https://findpatent.ru/patent/216/2161505.html.
5. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / И.А. Рогов, В.Я. Адаменко и др. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 288 с.
6. Пчельников, Ю.Н. Электроника сверхвысоких частот.- М.: Радио и связь, 1981. - 96 с.
7. 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. 64-68.
8. Диэлектрические резонаторы. Под редакцией М.Е. Ильченко. - М.: Радио связь, 1989 - 328 с.