СВЧ установка непрерывно-поточного действия с кольцевым и коническим резонаторами для дефростации и подогрева молозива животных
CONTINUOUS-FLOW SHF UNIT WITH RING AND CONICAL RESONATORS FOR DEFROSTING AND HEATING OF ANIMAL COLOSTRUM

Предлагаемое изобретение относится к агропромышленному комплексу и может быть использовано в фермах, где содержится крупный рогатый скот,  лошади, верблюды, козы и т.д. для дефростации и подогрева молозива животных.
Известно, что остатки молозива замораживают в пластиковых бутылках для сохранения иммуноглобулина и питательных веществ, содержащихся в молозиве. По мере необходимости для кормления молодняка животных молозива размораживают в размораживателях (БМА-50, Прималакт, РМ2 и др.). При этом процесс дефростации и подогрева достаточно длителен (40-90 мин), из-за чего  не удаётся полностью сохранить кормовую ценность молозива [1]. Принцип действия всех размораживателей основан на применении водяной бани для дефростации и подогрева молозива, замороженного в пластиковых бутылках.
Известна СВЧ установка (патент № 2694944) [2] с квазистационарным тороидальным резонатором. Ее недостатками являются: периодичность загрузки сырья без тары; неравномерность и длительность процессов и нагрева.
Анализ изменения диэлектрических параметров коровьего молозива от температуры показывает, что графики, описывающие фактор диэлектрических потерь, при отрицательной и положительной температуре, противоположные. Так, фактор диэлектрических потерь молозива, при температуре от минус 10°С до 0 растет от 4 до 27 [3], т.е. мощность поглощаемая сырьем при дефростации несколько раз увеличивается. При подогреве молозива от 0 до 38°С, наоборот, фактор диэлектрических потерь падает, т.е. поглощаемая мощность с увеличением температуры уменьшается, это значит процесс подогрева длительнее, чем процесс дефростации, поэтому необходимо обеспечить во втором резонаторе другую дозу воздействия ЭМПСВЧ. Только разделение этих процессов по разным резонаторам, резко сократит продолжительность всего технологического процесса, и позволит сохранить кормовую ценность молозива животных.
Научная инновационная идея
состоит в том, что установка должна содержать два резонатора, обеспечивающие разные дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частот (ЭМПСВЧ) на молозиво, отличающееся агрегатным состоянием. Один резонатор для дефростации от минус 15°С до 0, другой резонатор − для подогрева до 38-40°С. Резонаторы должны разделять твердую и жидкую фазы сырья при температуре, равной температуре фазового превращения.
α
Основываясь на этом признаке, разработана сверхвысокочастотная установка с двумя резонаторами (частота 2450 МГц, длина волны 12,24 см), позволяющими дефростацию и подогрев молозива замороженного в пластиковых бутылках. Коэффициент поглощения () ЭМИ сырьем зависит от длины волны и его диэлектрических параметров [3]:
(1)
λ
где  – длина волны, равная 12,24 см; ε – диэлектрическая проницаемость сырья;  – тангенс угла диэлектрических потерь сырья.
С учетом эмпирических выражений (2, 4), описывающих изменение диэлектрических параметров коровьего молозива от температуры, коэффициент поглощения ЭМПСВЧ (3, 5) составляет:
- в диапазоне температуры от минус 20 до 0
С:
о
ε
e
k
e
tgδ
e
0,122⋅Т
0,21⋅Т
0,082⋅Т
= 32,88⋅, = 27,87⋅, = 0,85⋅.  (2)
(3)
- в диапазоне температуры от 0 до 40
С:
о
ε
e
k
e
tgδ
e
-0,006⋅Т
-0,021⋅Т
-0,016⋅Т
= 51,05⋅, = 27,2⋅,  = 0,54⋅.    (4)
(5)
γ
Равномерный нагрев сырья происходит, если его толщина не превышает глубину () проникновения ЭМПСВЧ [3]. Глубина проникновения ЭМПСВЧ в сырье
в диапазоне температуры от минус 20 до 0°С составляет:
-
(6)
- в диапазоне температуры от 0 до 40
С:
о
(7)
о
График зависимости глубины проникновения ЭМП, частотой 2450 МГц в молозиво жирностью 6,4% от температуры нагрева, в диапазоне от минус 10 до 0°С, приведен на фиг. 1. Глубина проникновения ЭМПСВЧ в замороженное сырье с увеличением температуры от минус 12 до 0°С растет с 0,14 см до 0,93 см. При подогреве молозива с 0 до 40 С глубина проникновения растет с 1,01 см до 2,17 см.
Это означает, что постепенно размораживается боковая поверхность замороженного сырья в пластиковых бутылках (фиг. 2). Если не удалить размороженную жидкую фракцию, то происходит коагуляция.  Поэтому, по мере дефростации сырья, жидкую фракцию следует слить в другой резонатор.
Задачей изобретения
является разработка СВЧ установки непрерывно-поточного действия с кольцевым резонатором, состыкованным с основанием конического резонатора,позволяющими разделить процессы дефростации и подогрева молозива животных. Установка должна обеспечивать электромагнитную безопасность и высокую напряженность электрического поля для низкотемпературного обеззараживания сырья.
Технический результат достигается
тем, что СВЧ установка непрерывно-поточного действия с кольцевым и коническим резонаторами для дефростации и подогрева молозива животных содержит:
вертикально расположенный кольцевой резонатор прямоугольного сечения без нижнего кольцевого основания, состыкованный с основанием конического резонатора, направленного вершиной вниз, куда установлен шаровой кран,
причем в кольцевом резонаторе, по периметру внутреннего цилиндра имеется прорезь для электропривода, обеспечивающего перемещение  отсеков, образованных с помощью  радиально расположенных диэлектрических перегородок,
при этом основание конического резонатора перфорировано, диаметром менее четверти длины волны, а магнетроны с воздушным охлаждением со сдвигом на 120 градусов установлены на поверхностях каждого резонатора,
причем на верхнем основании кольцевого резонатора, со средним периметром, кратным половине длины волны, имеется загрузочный патрубок, выполняющий функцию запредельного волновода, а на наружной боковой поверхности резонатора имеется открытое окно, состыкованное с окном на боковой поверхности неферромагнитного выгрузного патрубка без нижнего основания,
при этом напротив окна к внутренней боковой поверхности кольцевого резонатора прикреплена направляющая диэлектрическая планка.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется графиками, результатами исследований, чертежами:
фиг. 1 − график зависимости глубины проникновения ЭМПСВЧ в замороженное коровье молозиво жирностью 6,4% при температуре
минус 10 до 0°С  б) от 0 до +40°С;
фиг. 2 − график зависимости глубины проникновения ЭМПСВЧ
в замороженное коровье молозиво жирностью 6,4% при температуре
от 0 до +40°С;
фиг. 3 − замороженное молозиво в бутылке;
фиг. 4 −  послойная коагуляция молозива, замороженного в бутылке, в процессе дефростации в ЭМПСВЧ;
фиг. 5 − схематическое изображение СВЧ установки непрерывно-поточного действия с кольцевым и коническим резонаторами для дефростации и подогрева молозива животных (в разрезе);
фиг. 6 – пространственное  изображение СВЧ установки непрерывно-поточного действия с кольцевым и коническим резонаторами для дефростации и подогрева молозива животных (в разрезе с позициями);
фиг. 7 – пространственное  изображение СВЧ установки непрерывно-поточного действия с кольцевым и коническим резонаторами для дефростации и подогрева молозива животных (общий вид);
фиг. 8 – пространственное изображение кольцевого резонатора с загрузочным и выгрузным патрубками;
фиг. 9 – пространственное изображение кольцевого резонатора с направляющей планкой (вид снизу);
фиг. 10 – пространственное изображение диэлектрических отсеков, образованных из перегородок (вид спереди);
фиг. 11 – пространственное изображение отсеков с направляющими узлами для электропривода (вид сверху);
фиг. 12 – пространственное изображение  перфорированного неферромагнитного основания конического резонатора;
фиг. 13 -  пространственное изображение конического резонатора на монтажном каркасе.
СВЧ установка непрерывно-поточного действия с кольцевым и коническим резонаторами для дефростации и подогрева молозива животных содержит:
кольцевой резонатор прямоугольного сечения без нижнего основания 1;
магнетроны 2 на наружной боковой поверхности кольцевого резонатора;
конический резонатор 3 с основанием 4, имеющим перфорацию 5;
магнетроны 6 на поверхности конического резонатора;
диэлектрические перегородки 7, образующие отсеки;
шаровой кран 8 на вершине конического резонатора;
открытое окно 9 на наружной боковой поверхности кольцевого резонатора; неферромагнитный выгрузной патрубок 10 без основания;
открытое окно 11 на боковой поверхности неферромагнитного выгрузного патрубка; направляющая диэлектрическая планка 12;
загрузочный патрубок 13; электропривод 14 для передвижения отсеков.
Кольцевой резонатор 1 с магнетронами 2 образован между двумя соосно расположенными неферромагнитными цилиндрами (наружным и внутренним), верхним кольцевым неферромагнитным основанием и неферромагнитным перфорированным основанием 4, являющимся одновременно основанием конического резонатора 3, направленного вершиной вниз и пристыкованного к кольцевому резонатору. Одни магнетроны 2 со сдвигом на 120 градусов расположены на боковой поверхности кольцевого резонатора, другие магнетроны 6 также со сдвигом на 120 градусов расположены на поверхности конического резонатора, ближе к основанию. Над перфорированным основанием 4, внутри кольцевого объема, радиально установлены диэлектрические перегородки 7, образуя отсеки. Средний периметр кольцевого объема резонатора кратен половине длины волны. Основание перфорировано 5, диаметром не более четверти длины волны. На вершине конического резонатора установлен шаровой кран 8. На боковой поверхности кольцевого резонатора имеется открытое окно 9. К окну пристыкован неферромагнитный выгрузной патрубок 10 без основания и с открытым окном 11 на боковой поверхности. Эти окна состыкованы и образуют проем. Напротив проема, к боковой поверхности внутреннего цилиндра кольцевого резонатора прикреплена направляющая диэлектрическая планка 12. На верхнем кольцевом основании резонатора имеется загрузочный патрубок 13, выполняющий функцию запредельного волновода, диаметром не менее диаметра диэлектрической бутылки с сырьем. Причем, этот патрубок расположен впереди открытого окна 9 на боковой поверхности кольцевого резонатора 1. Отсеки передвигаются в кольцевом объеме с помощью электропривода 14, установленного на направляющей платформе. Между внутренним цилиндром  кольцевого резонатора и перфорированным основанием 4 имеется прорезь для передвижения узла, связывающего вал электропривода 14 с радиальными диэлектрическими перегородками 7. Рядом шаровым краном расположена термопара, это возможно из-за того, что конические резонаторы, ближе к вершине, имеют критическое сечение, за которым ЭМПСВЧ отсутствует.
Технологический процесс дефростации и подогрева молозива животных в СВЧ установке непрерывно-поточного действия с кольцевым и коническим резонаторами происходит следующим образом.
Включить электропривод 14 для перемещения отсеков в кольцевом объеме резонатора 1. Загрузить диэлектрические бутылки без крышки с замороженным сырьем в загрузочный патрубок 13, предварительно закрыв шаровой кран 8. Включить магнетроны 2, излучатели которых направлены в кольцевой резонатор 1. В процессе перемещения отсеков, загрузить через запредельный волновод очередные бутылки с замороженным сырьем, без крышек. В кольцевом резонаторе возбуждается ЭМП бегущей волны, и в соответствии с глубиной проникновения электромагнитного поля, замороженное сырье размораживается послойно, стекает через отверстия 5 перфорации основания 4, во второй резонатор 3. Включить магнетроны 6, излучатели которых направлены в конический резонатор 3. Причем бутылки с сырьем перемещаются в кольцевом пространстве и опустошаются в конце полного оборота отсеков, так как происходит дефростация под воздействием диэлектрического нагрева. Пустая бутылка в конце полного оборота отсеков упирается в диэлектрическую планку 12, и выталкивается в неферромагнитный выгрузной патрубок 10 без основания, через проем, образованный состыкованными открытыми окнами 9, 11, падает в емкость для сбора пустых бутылок. Жидкое сырье, накапливается в коническом резонаторе 3, подвергается воздействию ЭМПСВЧ, подогревается до 38-40°С и через шаровой кран 8 дозированно сливается в приемную емкость. Температура сырья контролируется с помощью датчика температуры (термопары). В обоих резонаторах возбуждается электрическое поле высокой напряженности, достаточной для снижения бактериальной обсемененности продукта.
Источники информации
propribory.ru
static/upl/27-03-2020/OskNzivotnovodstvo.ru
molozivo-ego-sostav-svojstva…i…
1. Размораживатель молозива // Размораживатель молозива «ПримаЛакт» Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: ››(дата обращения 13.03.2021).
2. Патент № 2694944 РФ, МПК А47J.39/00. Микроволновая установка для размораживания коровьего молозива / Г. В. Новикова, Д. В. Поручиков, А. Н. Васильев, И. Г. Ершова, М. В. Белова; заявитель и патентообладатель ФГБНУ «ФНАЦ ВИМ» (RU). – № 2018143727; заявл. 11.12. 2018. Бюл. № 20 от 18.07.2019.
3. Рогов, И.А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / И.А. Рогова. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 288 с.