УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНА И ЗЕРНОПРОДУКТОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
PLANT FOR GRINDING AND DISINFECTION OF GRAIN AND GRAIN-PRODUCTS IN SUPER-HIGH-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD

Изобретение относится к технологическому оборудованию предприятий по хранению и переработке зерна и предназначено для измельчения и обеззараживания зерна и зернопродуктов в поточном режиме. Установка относится к машинам ударного действия.
На предприятиях по хранению и переработке зерна имеются разные машины, в зависимости от назначения их и принципов воздействия рабочих органов на разрушаемый материал. На комбикормовых предприятиях, измельчающие машины являются основным и наиболее энергоемким видом технологического оборудования. Для снижения энергетических затрат следует проектировать многофункциональные установки, обеспечивающие измельчение зерна и обеззараживание зернопродуктов от бактериальной микрофлоры и эндо-экзо вредителей.
Повышение эффективности работы и качества продукции, совершенствование технологических процессов подготовки и размола зерна на современных предприятиях идет по пути реализации следующих комплексных мероприятий - использования прогрессивных способов и приемов размола зерна, высокоэффективного оборудования.
В процессах выработки обойной муки из зерна; измельчения ингредиентов комбикормов; размола крупок (свободных от оболочек), разрушения частиц муки - в задачу размола входит только разрушение частиц исходного продукта до вполне определенной степени дисперсности. Для такого измельчения применяют машины ударного действия, в которых измельчение сырья происходит под действием удара.
Измельчение сырья - одна из важнейших операций в мукомольном и комбикормовом производстве, приводящее к повышению кормовых достоинств продуктов. Измельченные продукты лучше усваиваются. Технологический процесс производства комбикормов предусматривает измельчение кускового сырья, кукурузы в початках и т.п. Для измельчения используют молотковые дробилки и дезинтеграторы.
В каждой размольной системе стремятся получить возможно большее количество муки минимальной зольности при оптимальных удельных нагрузках на технологические машины и минимальном удельном расходе электроэнергии.
Процесс измельчения зерновых продуктов - наиболее энергоемкий среди других технологических процессов мукомольного производства.
Известны дезинтеграторы [1, стр. 156] - мельницы ударного действия, предназначенные для тонкого измельчения зерна и зернопродуктов. Их выпускают различными по исполнению, конструкции, режимам работы и производительности. Измельчение сырья осуществляется за счет высокоскоростных ударов о рабочие элементы роторов следующими друг за другом. Скорость ударов увеличивается при движении частиц сырья от центра к периферии ротора. Рабочими органами являются два ротора, вращающиеся навстречу друг другу, с несколькими концентрически расположенными рядами ударных элементов различной формы.
Известен энтолейтор, предназначенный для уничтожения личинок и куколок зерновых вредителей, которые могут находиться в зерновой массе, подготовленной к помолу. Основной рабочий орган - бичевой ротор, состоящий из двух плоских горизонтальных дисков, соединенных между собой цилиндрическими втулками. Вследствие многократных ударов о втулки и корпус зерновые продукты дополнительно измельчаются. Одновременно при обработке зерновой массы в энтолейторе разрушаются изъеденные зерна, а также зерна, имеющие меньшую прочность, чем нормальное зерно, т.е. происходит выделение непрочных, неполноценных и поврежденных вредителями зерен. Технологическая эффективность энтолейтора оценивается дополнительным извлечением муки, которое должно быть не менее 15% к извлечению муки, полученной во всей системе. Расход электроэнергии на 1 т муки, извлеченной в энтолейторе, до 10 кВт·ч.
Известны установки для микронизации зерна и зернопродуктов воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) [2]. Диэлектрический нагрев (термическая обработка) зерна преследует несколько целей: повышение переваримости углеводного комплекса в результате гидролиза крахмала и превращения части его в более простые соединения - декстрины и сахара. Этот процесс особенно важен для молодняка животных, ферментные системы пищеварительного тракта которых с трудом переваривают крахмал; инактивация ингибиторов пищеварительных ферментов и других антипитательных веществ; стерилизация сырья, т.е. снижение уровня обсемененности бактериальной микрофлорой. При воздействии ЭМП СВЧ происходит испарение влаги из внутренних слоев зерна, появляются микротрещины, в результате механической и химической деструкции часть крахмала превращается в простые углеводы - декстрины. Затем горячее зерно следует измельчить (по базовому варианту подвергают плющению в вальцовых станках), что еще больше повышает его питательную ценность. Такая обработка зерна и зернопродуктов вызывает практически полное уничтожение микроорганизмов в готовом продукте. Достоинства получаемых продуктов, их высокая питательность и стерильность приводят к необходимости дальнейшего совершенствования применения таких установок.
Предлагаемое изобретение предназначено для измельчения и обеззараживания зерна и зернопродуктов за счет воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и интенсивного удара о штифты резонаторной камеры СВЧ-генератора и трения частиц зерна между собой. Скорость удара зерна о штифты и о корпус зависит от влажности зерна (50 м/с). Основное направление совершенствования заключается в определении рациональных размеров и формы роторов, повышении износостойкости рабочих органов, применении надежных способов регулирования скорости вращения ротора.
Достоинства: высокая технологическая эффективность, сравнительно малый расход электроэнергии.
Технологической задачей изобретения является интенсификация технологического процесса обеззараживания и измельчения зерна и зернопродуктов и улучшение качества продукта при сниженных энергетических затратах.
Технический результат достигается тем, что установка для измельчения и обеззараживания зерна и зернопродуктов (фиг. 1) имеет вертикально расположенный цилиндрический экранирующий корпус с приемным бункером и выпускным патрубком, внутри которого, параллельно основаниям, расположены ротор-диски разных диаметров, вращающихся в противоположных направлениях, между которыми имеются цилиндрические части объемных резонаторов, установленных на соответствующие ротор-диски по периферийной концентрической окружности, причем для привода ротор-дисков соответствующие моторы-редукторы установлены по центру с наружной стороны оснований экранирующего корпуса, при этом на валу ротор-диска большого диаметра имеется шнек с окном на его корпусе для приемного бункера, а основание экранирующего корпуса из неферромагнитного материала и ротор-диск имеют кольцевые отверстия, причем на противоположном основании экранирующего корпуса по вышеуказанным концентрическим окружностям размещены СВЧ генераторные блоки так, что их излучатели направлены внутрь жестко закрепленных к основанию корпуса сферических сегментов объемных резонаторов, при этом их цилиндрические части образованы из неферромагнитных штифтов треугольного сечения, установленных зазором менее четверти длины волны и больше толщины зерен, причем количество сферических сегментов на много меньше, чем количество цилиндрических частей объемных резонаторов, а их диаметры равны, при этом диск большого диаметра выполнен из неферромагнитного материала, а диск малого диаметра - из фторопласта, выгрузной патрубок расположен на боковой поверхности цилиндрического экранирующего корпуса, а дверь, диаметром не менее диаметра малого ротор-диска находится на основании экранирующего корпуса.
На фиг. 1 изображена установка для измельчения и обеззараживания зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты: 1 - экранирующий корпус на станине; 2 - СВЧ генераторный блок с излучателем в диэлектрической втулке; 3 - дверь; 4 - сферическая часть резонаторной камеры; 5 - цилиндрическая часть резонаторной камеры; 6 - штифты; 7 - первый мотор-редуктор; 8 - ротор-диск малого диаметра; 9 - ротор-диск большого диаметра; 10 - шнек-дозатор; 11 - корпус шнека - запредельный волновод; 12 - второй мотор-редуктор; 13 - приемный бункер; 14 - кольцевое отверстие; 15 - патрубок для выгрузки (запредельный волновод).
На фиг. 2 показана установка для измельчения и обеззараживания зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (разрез А-А): 1 - экранирующий корпус на станине; 2 - СВЧ генераторный блок с излучателем в диэлектрической втулке; 3 - дверь; 4 - сферическая часть резонаторной камеры; 5 - цилиндрическая часть резонаторной камеры; 6 - штифты; 7 - первый мотор-редуктор; 8 - ротор-диск малого диаметра; 9 - ротор-диск большого диаметра; 10 - шнек-дозатор; 11 - корпус шнека (запредельный волновод); 12 - второй мотор-редуктор; 13 - приемный бункер; 14 - кольцевое отверстие; 15 - патрубок для выгрузки (запредельный волновод); 16 - диэлектрическая втулка.
На фиг. 3 показана цилиндрическая часть 5 объемного резонатора (в разрезе).
На фиг. 4 показан штифт.
Установка для измельчения и обеззараживания зерна и зернопродуктов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (фиг. 1, 2) содержит: экранирующий корпус 1 на станине; СВЧ генераторный блок 2 с излучателем в диэлектрической втулке; дверь 3; сферическую часть резонаторной камеры 4; цилиндрическую часть резонаторной камеры 5; штифты 6; первый мотор-редуктор 7; ротор-диск малого диаметра 8; ротор-диск большого диаметра 9; шнек-дозатор 10; корпус шнека 11 (запредельный волновод); второй мотор-редуктор 12; приемный бункер 13; кольцевое отверстие 14; патрубок для выгрузки 15.
Установка для измельчения и обеззараживания зерна и зернопродуктов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты сконструирована следующим образом. Цилиндрический экранирующий корпус 1 (фиг. 1, 2) установлен вертикально и изготовлен из неферромагнитного материала. Внутри корпуса 1 расположены два ротор-диска разного диаметра 8, 9. Причем ротор-диск малого диаметра 8 выполнен из радиопрозрачного материала (фторопласта), а большого диаметра 9 - из неферромагнитного материала. По периферийной концентрической окружности каждого ротор-диска 8, 9 установлены цилиндрические части резонаторных камер 5. Они собраны с помощью штифтов 6 из неферромагнитного материала и имеют форму беличьей клетки. Зазоры между штифтами (фиг. 3) и между частями объемного резонатора 4, 5 больше диаметра зерен, но меньше, чем четверть длины волны СВЧ-диапазона.
Ротор-диски 8, 9 вращаются в противоположных направлениях. Цилиндрические части резонаторных камер 5 расположены на двух ротор-дисках разного диаметра так, что при вращении ротор-дисков 8, 9 они не соприкасаются. Штифты 6 (фиг. 4) по сечению выполнены треугольной формы из неферромагнитного материала. Трехгранные штифты установлены с зазором так, что одна грань штифтов образует внутреннюю полость цилиндрической части объемного резонатора (фиг. 3), а две другие грани штифтов представляют наружную поверхность цилиндрических частей 5 объемного резонатора.
Верхняя часть объемного резонатора 4 выполнена в виде сферического сегмента, диаметром, равным диаметру цилиндрической части резонатора 5. В центре каждого сферического сегмента 4 имеется диэлектрическая втулка 16 для направления соответствующего излучателя от СВЧ генераторного блока 2. Каждый ротор-диск 8, 9 вращается с помощью индивидуального мотор-редуктора 7, 12. Экранирующий корпус 1 содержит дверь 3, диаметром, равным диметру ротор-диска 8. С наружной стороны двери 3 по центру установлен мотор-редуктор 7, а по периферии СВЧ генераторные блоки 2 для объемных резонаторов, расположенных на диэлектрическом ротор-диске 8.
Приемный бункер 13 расположен на основании экранирующего корпуса 1 так, что загрузка сырья внутрь рабочей камеры осуществляется через центральное кольцевые отверстия 14 с помощью шнека 10, 11. Для этого на валу ротор-диска 9 имеется шнек 10. Патрубок для выгрузки 15 расположен на боковой поверхности экранирующего корпуса 1.
СВЧ генераторные блоки установлены на основании цилиндрического экранирующего корпуса 1 с наружной стороны. Одни генераторы размещены по периферийной концентрической окружности, соответствующей диску большого диаметра 9, другие - по концентрической окружности, соответствующей диску малого диаметра 8. Ротор-диск 8 малого диаметра выполнен из радиопрозрачного материала (фторопласта).
От количества СВЧ генераторных блоков 2 зависит производительность установки и качество стерилизации зерна и зернопродуктов. Под каждым генераторным блоком 2 расположены стационарные части объемного резонатора в виде сферического сегмента 4. Количество цилиндрических частей 5 объемных резонаторов отличается от количества сферических сегментов 4. Трехгранные штифты исключают коронирование внутри объемного резонатора 6, а ребра между двумя гранями образуют острую поверхность для раскалывания поврежденных личинками зерен.
Рабочий процесс в установке происходит следующим образом.
Включают электродвигатели 7 и 12 для вращения ротор-дисков 8, 9. Вместе с ротор-дисками 8, 9 вращаются нижние части объемного резонатора 5, выполненные из неферромагнитных штифтов 6. При этом зерно или зернопродукты загружаются в рабочую камеру через центральное кольцевое отверстие 14 с помощью шнека 10, так как на валу ротор-диска 9 расположен шнек 10, 11 и приводится в движение с помощью мотор-редуктора 12.
После заполнения объема рабочей камеры на 30…40% включают все СВЧ генераторные блоки 2. При стыковании верхней 3 и нижней частей объемного резонатора 5 в зерновой массе генерируется эндогенное тепло за счет воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ). При этом сверхвысокочастотная энергия подводится от генераторного блока 2, содержащего магнетрон с излучателем, направленным через диэлектрическую втулку 16 в центр верхней части объемного резонатора, выполненного виде сферического сегмента 4 из неферромагнитного материала. Причем сегменты 4 для образования объемных резонаторов, находящихся на диске большого диаметра 9, жестко закреплены на основании экранирующего корпуса 1, противоположном диску 9. Сферические сегменты, т.е. верхние части 4, которые образуют объемные резонаторы при стыковании с нижними цилиндрическими частями 5, находящимися на радиопрозрачном диске 8 малого диаметра в процессе его вращения, жестко закреплены на двери 3 с внутренней стороны, а с наружной стороны установлены соответствующие СВЧ генераторные блоки 2.
Сырье подается к центру ротор-дисков 8, 9 и, попадая на диски, отбрасывается к периферии, встречая на своем пути подвижные части объемных резонаторов 5, состоящих из штифтов 6, ударяются о них. Эффективность измельчения или раскалывания зерен, содержащих личинки и куколки зерновых вредителей, зависит от скорости удара, которая представляет собой геометрическую сумму векторов скорости частицы и центра штифта. Скорость удара возрастает по мере продвижения частицы к периферии. Частота вращения ротор-дисков 8, 9 должна быть достаточной для того, чтобы энергии удара хватило на совершение работы по раскалыванию зерна.
При вращении ротор-дисков 8 и 9 под действием центробежных сил инерции и сил трения зерно (зернопродукты) увлекается в движение цилиндрической частью резонаторной камеры 5. Происходит прижатие зерна к штифтам 6, где и получает ударное воздействие. Вследствие многократных ударов о штифты, при определенной скорости дисков, зерно может измельчаться. Управляя скоростью вращения ротор-дисков 8, 9, можно только раскалывать изъеденные и непрочные зерна, т.е. выделить неполноценные и поврежденные вредителями зерна.
Большое число столкновений, при достаточной частоте вращения ротор-дисков, приводит к высокой степени измельчения, поэтому эту установку можно использовать не только для борьбы экзо-, эндогенными вредителями продукта, но и для одновременного его измельчения, т.е. это универсальная установка, совмещающая функции энтолейтора, дезинтегратора и СВЧ-обеззараживателя. Обработанная зерновая масса выгружается через патрубок 15 за счет центробежной силы. Вся установка расположена на монтажном столе. Корпус шнека 11 и выгрузной патрубок 15 выполняют функции запредельных волноводов, их длина и диаметр согласованы с длиной волны (12,4 см), чтобы снизить излучение через патрубок 15 и загрузочное окно в корпусе шнека 11 до допустимого уровня для обслуживающего персонала. Загрузочное окно состыковано с приемным бункером 13. Подача зерновой массы (из приемного бункера 13 в рабочую камеру через окно в корпусе шнека 11), а также мощность СВЧ-генераторов 2 и частота вращения ротор-дисков 8, 9 регулируются. Ограничение излучений через щели в экранирующем корпусе достигается за счет правильных геометрических размеров запредельных волноводов и толщины корпуса из неферромагнитного материала. По окончании обработки следует выключить СВЧ-генераторы 1, остановить электродвигатели 7, 12, открыть дверь 3, очистить рабочую камеру от остатков зернового продукта, провести технический осмотр всех узлов. При открывании двери 3 объемные резонаторы 4, 5, расположенные на фторопластовом ротор-диске 8, вместе с двигателем 7 и соответствующими СВЧ-генераторами 2 разворачиваются, так как диаметр двери 3 чуть больше диаметра малого ротор-диска 8.
Для полного уничтожения бактериальной микрофлоры, имеющейся в зерновой массе, при низкотемпературной обработке (50…55°С), необходимо обеспечить высокую напряженность электрического поля сверхвысокой частоты (4…10 кВ/см).
Установка позволяет снизить энергетические затраты на обеззараживание и измельчение зерна, улучшить их энергетическую ценность. Диэлектрический нагрев при достаточной дозе воздействия ЭМП СВЧ обеспечивает интенсивный переход капиллярной влаги в пар, вызывая резкий рост давления в зерне. Содержание водорастворимых веществ увеличивается, что положительно влияет на органолептические свойства и консистенцию продукта. За счет многократного импульсного воздействия ЭМП СВЧ практически полностью сохраняется витаминный комплекс зернового продукта.
Источники информации
1. Бутковский, В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства. - М.: Агропромиздат, 1989, 464 с.
2. Патент №2489068 РФ, МПК A23N 17/00. СВЧ индукционная установка барабанного типа для микронизации зерна. / М.В. Белова, Г.В. Новикова, О.В. Михайлова, А.А. Белов; заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). - №2012100432; заявл. 10.01.2012 г., опубл. 20.08.2013. Бюл. №22. - 5 с.