Радиоволновые установки для термообработки сырья
RADIOWAVE INSTALLATIONS FOR HEAT TREATMENT OF RAW MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к технологическому оборудованию для проведения теплообменных процессов, например, для термообработки и обеззараживания сыпучего сырья (фуражного зерна, комбикормов и т.п.).
Для повышения кормовой ценности зерна применяют тепловую обработку. Наилучшие показатели декстринизации крахмала получили при обработке зерна инфракрасным (ИК) излучением, но при высоких энергетических затратах.
Имеется установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, где используется дифракционный тороидальный резонатор [1].
Прототипом является сверхвысокочастотная установка для обеззараживания комбикормов [2], но обеспечить наложение двух волн в сферической резонаторной камере сложно без специальных средств защиты магнетронов от отраженной мощности.
Нами выбрана концепция проектирования СВЧ установок, снабженных маломощными источниками энергии (0,8…1,2 кВт), с воздушным охлаждением и не требующих защиты от отраженной мощности, обеспечивающих равномерность нагрева зерна за счет конструкционных приемов при разработке резонаторных камер, заполненных малым объемом сырья. Создание достаточно эффективных технологий и соответствующих радиоволновых установок, например для повышения кормовой ценности фуражного зерна, актуально.
Технологической задачей изобретения являетсясовершенствование технологии и установок для термообработки фуражного зерна путем наложения на электромагнитное поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ, 2450 МГц), электрическое поле другой частоты, спектра радиоволн (фиг.1). Это обеспечивает достаточную напряженность электрического поля в резонаторной камере, при которой снижается микробиологическая обсемененность и активность уреазы соевых бобов до нормативных значений, что повышает кормовую ценность фуражного зерна.
Технический результат достигается тем, что радиоволновые установки для термообработки сырья содержат сверхвысокочастотные генераторы с частотой 2450 МГц, тороидальный резонатор, состоящий из тора с тремя запредельными волноводами и жестко закрепленной по внутреннему периметру тора стационарной плоской пластины, съемные модули с дополнительными источниками электромагнитных излучений спектра радиоволн, отличающиеся длиной волны, при этом элементы энергоподводов от этих источников установлены на соответствующие съемные верхние пластины в центральной части тороидального резонатора, причем в запредельном волноводе, закрепленном с нижней стороны тора, расположен шнековый дозатор, а один из верхних запредельных волноводов подключен к штуцеру, соединяющему с воздушным фильтром, третий запредельный волновод соединен с загрузочным бункером.
На фиг. 1 приведены варианты сочетания источников электромагнитных излучений.
На фиг. 2 приведены схемы разработанных радиоволновых установок, обеспечивающих комплексное воздействие электромагнитных излучений разных длин волн:
1 – тороидальная резонаторная камера, состоящая из тора и центральной части;
2 – стационарное основание центральной части тороидальной резонаторной камеры;
3, 4 – запредельные волноводы, выполняющие функции патрубков (3 – выгрузной патрубок со шнековым дозатором, 4 – загрузочный патрубок);
5 – СВЧ генераторные блоки с частотой 2450 МГц;
6 – съемные модули для ввода электромагнитных излучений другой частоты;
7 – штуцер отвода воздуха с воздушным фильтром;
2.1 –установка с тороидальным резонатором и источниками СВЧ энергии с частотой 2450 МГц(12,24 см);
2.2 – установка с тороидальным резонатором и источниками СВЧ энергии с частотой 2450 МГц, скомплектованная с генератором надтональной частоты (22 кГц или 110 кГц) и электрогазоразрядными лампами;
2.3 – установка с тороидальным резонатором и источниками СВЧ энергии с частотой 2450 МГц, скомплектованная высокочастотным генератором (40,68 МГц, 737 см) и высокопотенциальным электродом;
2.4 – установка с тороидальным резонатором и источниками СВЧ энергии с частотой 2450 МГц, скомплектованная с цилиндрическим излучателем от СВЧ генератора (2350 МГц, 12,6 см);
2.5 – установка с тороидальным резонатором и источниками СВЧ энергии с частотой 2450 МГц, скомплектованная с апертурой от генератора крайне высокой частоты (55,54 ГГц, 5,6 мм; 42,19 ГГц, 7,1 мм).
На фиг. 3 представлены съемные модули разработанных радиоволновых установок: 3.0 – тороидальный резонатор без верхней пластины в центральной части; 3.1 – съемная пластина из неферромагнитного материала; 3.2 – съемная пластина с электрогазоразрядной лампой; 3.3 – съемный высокопотенциальный электрод от высокочастотного генератора; 3.4 – съемная пластина с цилиндрическим рупором и излучателем; 3.5 – съемная пластина с апертурой КВЧ излучателя.
Возможные варианты сочетания электромагнитных излучений разных длин волн в тороидальном резонаторе радиоволновых установок для термообработки и обеззараживания сырья приведены на фиг. 1. Классификация разработанных тороидальных резонаторных камер, обеспечивающих комплексное воздействие электромагнитных излучений разных длин волн, приведена на фиг. 2. Радиоволновая установка для термообработки и обеззараживания сырья состоит из тороидального резонатора 1 со стационарной плоской пластиной 2, выгрузного патрубка 3 со шнековым дозатором, загрузочного патрубка 4, сверхвысокочастотных генератороных блоков 5, съемных модулей 6 для ввода в резонаторную камеру электромагнитного излучения другой частоты; штуцера 7 отвода воздуха с воздушным фильтром.
Разработанные тороидальные резонаторные камеры (рабочие камеры) радиоволновых установок обеспечивают сочетания источников электромагнитных излучений разных длин волн (фиг. 2). С использованием маломощных генераторов СВЧ энергии от микроволновых печей и медицинской аппаратуры спектра радиоволн разработаны схемные решения рабочих камер. Рабочие камеры радиоволновых установок выполнены с комбинированными электродинамическими системами, обеспечивающими непрерывный технологический процесс, высокую напряженность электрического поля и максимальную добротность. Прием излучатели электромагнитного поля сверхвысокой частоты (2450 МГц) направлены в тороидальную часть, а центральная часть резонаторной камеры выполнена в виде съемных модулей.
Тороидальный резонатор 1 выполнен с круглым сечением, а по внутреннему периметру (в центральной части) установлены плоскопараллельные пластины. Причем верхняя пластина съемная, а нижнее основание 2 закреплено к внутреннему периметру тора стационарно. Выгрузной 3 и загрузочный 4 патрубки выполнены в виде трубы с диаметром меньше, чем четверть длины волны (3,08 см). Они выполняют функции запредельных волноводов. Выгрузной патрубок 3 закреплен с нижней стороны тора 1 и внутри трубы установлен шнековый дозатор. Загрузочный патрубок 4 установлен с верхней стороны тора 1. Сверхвысокочастотные генераторные блоки 5 (2450 МГц) закреплены к тороидальной поверхности резонатора так, что излучатели направлены внутрь тора. Съемная часть 6 для ввода электромагнитных излучений другой частоты состоит из 5 модулей.
Каждый съемный модуль (фиг. 2) обеспечивает ввод энергии электромагнитных излучений частотой, отличающейся от основной частоты 2450 МГц. Съемный модуль в первом варианте содержит плоскопараллельные пластины из неферромагнитного материала (фиг. 2.1). Причем в тороидальной резонаторной камере частота ЭМПСВЧ равна 2450 МГц (в торе и в центральной части резонатора). Напряженность электрического поля в центральной части резонатора, из-за малого расстояния между плоскопараллельными стенками, выше, чем в торе, но недостаточная для уничтожения микробиологической обсемененности сырья при его высокой исходной обсемененности  (более 106 КОЕ/г). Поэтому в конструкции тороидального резонатора следует предусмотреть наложение электрических полей разных длин волн
Во втором варианте
съемного модуля в межпластинчатом пространстве установлена электрогазоразрядная лампа от дарсонваля (фиг. 2.2). При этом происходит сложение напряженностей электрического поля с частотами 2450 МГц и 110 кГц. Источниками килогерцовой частоты могут служить дарсонваль «Искра» с частотой 110 кГц и мощностью 130 Вт; дарсонваль НТЧ-10-01, с частотой 22 кГц и мощностью 80 Вт; ультратон  03АМП с частотой 19…25 кГц, и мощностью 30 Вт.
В третьем варианте
(фиг. 2.3) модуль 6 образован в виде конденсатора с плоскопараллельными электродами, и к ним подводится высокое напряжение от высокочастотного генератора (40,68 МГц). Причем высокопотенциальный электрод установлен  внутрь полого диска из фторопласта для обеспечения безопасного обслуживании, а низкопотенциальным электродом служит нижняя пластина центральной части тороидального резонатора. Источниками высокочастотной энергии могут быть ЭХВЧ-500, УВЧ-30, УВЧ-60, УВЧ-88 с частотой 40,68 МГц и длиной волны 737 см. Модель распространения электрического поля предусматривает сложение напряженностей электрических поле двух частот, таких как 2450 МГц и 40,68 МГц.
В четвертом варианте
через верхнюю пластину узла направлен цилиндрический резонатор 6 с излучателем (фиг.2.4). Тороидальный резонатор 1 и цилиндрический резонатор 6 образуют резонаторно-лучевую электродинамическую систему. Источником электромагнитных полей другой частоты могут служить Луч 58-1, Луч 11 СМВ-150 -1, Луч 4 СМВ -20-4 с частотой 2350 МГц и длиной волны 12,6 см. При этом происходит сложение напряженностей электрических полей с близкими частотами, такими как: 2450 МГц и 2350 МГц.
В пятом варианте
(
КВЧ излучениекрайне высокочастотное излучение, миллиметровые волны) (фиг. 2.5) при помощи рупорной антенны площадь апертуры 6 направлена в межпластинчатое пространство. При этом происходит сложение напряженностей электрических полей разных частот: 2450 МГц и 55540 МГц. Источниками электромагнитных излучений могут быть Явь - 1-5,6 с частотой 55,54 ГГц, длиной волны 5,6 мм; Явь - 1-7,1 с частотой 42,19 ГГц, длиной волны 7,1 мм и выходной мощностью 25 Вт.
Поведение электромагнитных полей разных частот в замкнутом объеме резонатора представляет собой весьма сложный физический процесс, который не всегда дается корректно описать при помощи математических выражений. При наложении двух волн с произвольными амплитудами и фазами имеем некоторую электромагнитную волну, которая может изменять свою ориентацию относительно направления распространения волн. Пользуясь системой параметрического моделирования трехмерных структур, проведены исследования напряженности электромагнитного поля при наложении стоячих волн разных длин в тороидальном резонаторе. При использовании каждого модуля оптимизированы величины напряженности электрического поля в тороидальном резонаторе, которые позволяют снизить микробиологическую обсемененность в сырье до допустимой нормы 500 тыс. КОЕ/г при достаточно высокой  исходной бактериальной загрязненности.
Добротность тороидального резонатора может быть определена разными способами, в том числе с учетом объема и площади поверхности резонатора, зная значение скин-слоя.
Рабочий процесс термообработки сырья в радиоволновой установке (фиг. 2) происходит следующим образом. Установить соответствующий съемный модуль 6 для ввода электромагнитных излучений частотой, отличающейся от основной частоты (2450 МГц), в центральную часть резонаторной камеры 1. Включают пневмотранспортную установку (на фигуре не приведен), которая через загрузочный патрубок 4 подает сыпучее сырье из загрузочного бункера (не показан) в тороидальный резонатор 1. После чего включают СВЧ генераторные блоки 5 на соответствующие мощности, что создает поток энергии электромагнитных излучений СВЧ диапазона в тороидальной резонаторной камере 1. Включить дополнительный источник электромагнитных излучений другой частоты 6. Под комплексным воздействием электромагнитных излучений разных длин волн поля сырье подвергаются эндогенному нагреву, обеззараживается за счет высокой напряжённости электрического поля, и выводятся с помощью шнекового дозатора через выгрузной патрубок 3. Процесс термообработки и обеззараживания сырья происходит в непрерывном режиме. Отвод воздуха из резонаторной камеры 1 осуществляется через штуцер 7 посредством воздушного фильтра 2. Штуцер отвода воздуха 7, патрубки для загрузки сырья 4 и выгрузки обработанного продукта 3 (труба определенной длины и диаметром меньше 3 см, куда установлен шнековый дозатор) одновременно выполняют функции запредельных волноводов, обеспечивая радиогерметичность установки.
Такая установка со съемными модулями позволяет подобрать рациональные значения напряженностей электрических полей, комплексное воздействие которых снижает микробиологическую обсемененность сырья в процессе термообработки. С помощью одной установки определенной мощности генератора с длиной волны 12,24 см и несколькими съемными модулями, содержащими индивидуальные источники энергии других длин волн, можно обслуживать цех по переработке фуражного зерна в фермерских хозяйствах.
Источники информации
1. Патент РФ № 2584029, МПК A23N17/00. Установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты / А.А. Белов, Г.В. Новикова, О.В Михайлова; заявитель и патентообладатель АНО ВО «АТУ»(RU). – № 2015102653; заявл. 29.01.2015. Бюл. № 14, 15 с.
2. Патент РФ №. 2535146 РФ, МПК А23N 17/00. СВЧ установка для обеззараживания комбикормов / Г.Л. Долгов, М.В. Белова, Т.В.  Шаронова, Г.В. Новикова; заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). – № 2013121131/13; заявл. 07.05.2013. Бюл. № 34 от 10.12.2014, 8 с.