Микроволновая технология отделения обеззараженного волосяного покрова от шкур кроликов в биконическом резонаторе
MICROWAVE TECHNOLOGY OF DECONTAMINATED HAIR COAT SEPARATION FROM RABBIT HIDES IN BICONICAL RESONATOR

Предлагаемое изобретение относится к микроволновой технологии и может быть использовано при разработке сверхвысокочастотных установок для непрерывного режима работы, обеспечивающих отделение волосяного покрова от шкур кроликов в кролиководческом хозяйстве.
Имеется старинный способ снятие пуха со шкурок кроликов (А.С. №40499). Он состоит в том, что шкурки предварительно отволаживаются путем натирания с мездровой стороны раствором поваренной соли (4%), после чего отрывание пуха от мездры осуществляется на щипальных машинах. [http://www.findpatent.ru/patent/4/40499.html] [1].
Известные способы обезволашивания шкур животных с применением солей, щелочей, сульфидов и ферментного препарата - длительны, качество пуха низкое.
Задачей изобретения является обоснование технологических параметров сверхвысокочастотной установки для отделения обеззараженного волосяного покрова от шкур кроликов в биконическом резонаторе. Для этого решаются следующие задачи:
1. Определить необходимую мощность электромагнитных излучений для снижения бактериальной обсемененности сырья.
2. Определить критическую напряженность электрического поля сверхвысокой частоты, обеспечивающую уничтожения микроорганизмов в сырье.
3. Согласовать величину напряженности электрического поля с собственной добротностью, объемом резонатора и производительностью установки.
4. Обосновать конфигурацию резонатора, обеспечивающую критическую напряженность электрического поля, высокую собственную добротность, радиогерметичность при непрерывном режиме работы установки.
5. Разработать СВЧ установку, реализующую микроволновую технологию отделения обеззараженного пуха со шкур кроликов.
Способ отделения обеззараженного волосяного покрова от шкур кроликов в СВЧ установке с биконическим резонатором объемом 350 л, характеризующийся тем,
что на шкуры кроликов, вымоченные в рассоле концентрацией 5-7%, воздействуют в течение 60-70 с электромагнитным полем сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) напряженностью электрического поля выше 1,2 кВ/см в объеме до 55 л в области больших оснований усеченного биконического резонатора, сохраняющего радиогерметичность, с собственной добротностью выше 9000, дозе воздействия ЭМПСВЧ не менее 400 Вт⋅ч/кг при работе СВЧ установки в непрерывном режиме с энергетическими затратами до 0,39 кВт⋅ч/кг, производительностью до 45 шт./ч и мощности генератора 3200 Вт».
На фиг. 1 приведена зависимость генерируемой удельной мощности в коже и в воде от напряженности электрического поля при частоте 2450 МГц.
На фиг. 2 приведены графики, описывающие зависимость мощности диэлектрических потерь (ряд 1) и мощности тепловых потерь (ряд 2) от напряженности электрического поля при радиусе микроорганизма 0,5 мкм.
На фиг. 3 приведена схема усеченного биконического резонатора для отделения волосяного покрова от шкур кроликов с указанием размеров
На фиг. 4 приведены графики для определения продолжительности отделения волосяного покрова от кожи шкур кроликов при дозе воздействия ЭМПСВЧ, равной 400 Вт⋅ч/кг в зависимости от концентрации рассола.
Известно, что принцип обеззараживание сырья основан на его прозрачности для сантиметровых волн, и на способности уничтожить микроорганизмы в сырье. Действие электромагнитных излучений (ЭМИ) на бактерии носит биохимический характер, а бактерицидный эффект воздействия связан с изменениями, происходящими в самих микроорганизмах. Известно, что под воздействием ЭМПСВЧ вегетативные виды бактерий уничтожаются.
о
Бактерицидный эффект, характеризуемый отношением Б/Б, зависит от дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). При этом следует учитывать значение коэффициента поглощения, которое зависит от длины волны и диэлектрических свойств сырья. Коэффициент поглощения электромагнитных излучений кожей составляет [2]:
а
-1
где λ - длина волны, равная 12,24 см; ε - диэлектрическая проницаемость кожи (28…33, при температуре 0…60°С); tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь сырья (0,428). В связи с тем, что микроорганизмы на 80% состоят из воды, коэффициент поглощения которой составляет = (0,1…0,2) см.
Равномерный нагрев кожи происходит, если ее толщина не превышает удвоенного значения глубины (γ) проникновения ЭМПСВЧ, т.е. 3,34 см [2]:
2
3
Определяем необходимую мощность электромагнитных излучений для снижения бактериальной обсемененности сырья с 1 млн. КОЕ/г до ПДУ (500 тыс. КОЕ/г), содержащего бактерии коли (k = 2400…2500 мкВт⋅с/см) при производительности установки Q = 9,25 см/с, (30…35 шкур/ч) и КПД = 0,75, по формуле Соколова В.Ф [7]:
о
доп
где Б, Б - общее микробное число в сырье до и после воздействия ЭМПСВЧ, КОЕ/мл.
Необходимое количество СВЧ генераторов, мощностью 800 Вт для снижения обсемененности сырья в два раза, составит: N = 3077/800 = 4 шт. Т.е. для снижения общего микробного числа в два раза потребуется мощность СВЧ генератора в пределах 3,1 кВт.
Далее, проанализируем при какой напряженности электрического поля в резонаторе, прекращается размножение микроорганизмов. Теоретическое обоснование напряженности электрического поля, обеспечивающей обеззараживание шкуры, проводили по методике Корчагина Ю.В. [4]. Известно, что энергия ЭМПСВЧ очень сильно поглощается водой, являющейся одним из основных компонентов любого микроорганизма (бактерии на 80% состоят из воды). При этом нагрев осуществляется за счет тепловой энергии, выделяющейся в объеме самого микроорганизма. Защитные оболочки микроорганизмов препятствуют отводу тепла из внутреннего объема, тем не мене для их уничтожения требуется достаточно высокая напряженность электрического поля. Это можно обеспечить при использовании либо мощных генераторов (более 4-5 кВт), либо нескольких генераторов малой мощности с воздушным охлаждением, рабочая частота которых отличается не более, чем на 20% от собственной резонансной частоты объемного резонатора. При этом излучатели направлены в один резонатор нетрадиционной конфигурации. Можно также уменьшить объем резонатора до 0,5 л, но это снижает практическое применение в фермерских хозяйствах. В объемных резонаторах (17-28 л), традиционных микроволновых печей, возбуждается электрическое поле напряженностью не более 0,2 кВ/см, что на много ниже критической напряженности для микроорганизмов. Поэтому разрабатываем микроволновую технологию обеззараживания сырья с использованием маломощных генераторов (700…800 Вт) и усеченного биконического резонатора.
Проведем оценку напряженности электрического поля СВЧ диапазона, достаточной для снижения развития микроорганизмов, путем непосредственного диэлектрического нагрева содержащейся в них воды [2, 4]. Определяем мощность нагрева микроорганизма при воздействии ЭМПСВЧ. Оценим поглощающую способность кожи и воды при разных напряженностях электрического поля:
o
-1
где Е - напряженность электрического поля в сырье, В/см; ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85⋅10 Ф/см); ε - относительная диэлектрическая проницаемость кожи равна 28 (при температуре 20°С, влажности 46…47%, частоте 2450 МГц); tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь кожи - 0,428, k - фактор потерь - 12; ω = 2 πƒ, 1/с; ƒ - частота ЭМП, Гц (2450 МГц) [11].
2
-14
6
3
Кожа: Р = (500⋅8,85⋅10⋅28⋅6,28⋅2450⋅10⋅0,428) = 399,6 Вт/см.
2
-14
6
3
Р = (1000⋅8,85⋅10⋅28⋅6,28⋅2450⋅10⋅0,428) = 16315 Вт/см.
Диэлектрические параметры воды при частоте 2450 МГц и при изменении температуре от 15 до 45°С в среднем составляют: ε = 74,75; tgδ = 0,153; k = 11,82 [6].
2
-14
6
3
Вода: Р = (500⋅8,85⋅10⋅74,75⋅6,28⋅2450⋅10⋅0,153) = 381,37 Вт /см.
2
-14
6
3
Р = (1000⋅8,85⋅10⋅74,75⋅6,28⋅2450⋅10⋅0,153) = 15574 Вт/см.
Результаты расчета сведены в табл. 1, а на фиг. 1 приведены графики, характеризующие зависимость генерируемой мощности в коже и в воде от напряженности электрического поля при частоте 2450 МГц. Из-за небольшой разницы фактора потерь воды и мездровой ткани кожи, мощности до 3 кВ/см почти не отличаются.
-6
-6
Известно, что средний радиус микроорганизма равен (0,5-0,7)⋅10 м. [4]. Зная, что потери мощности пропорциональны площади поверхности микроорганизма, а поглощаемая мощность диэлектрических потерь пропорциональна его объему, поэтому предварительно вычислим объем и площадь поверхности микроорганизма. Если радиус микроорганизма принять равным 0,5⋅10 м, тогда объем и площадь составляют:
Проведем сравнительный анализ значений потерь мощности за счет теплопередачи и мощности диэлектрических потерь микроорганизмов, при воздействии ЭМПСВЧ.
Определяем мощность тепловых потерь с поверхности микроорганизма. Она зависит от свойств окружающей среды, от теплопроводности материала, разности температур тела и окружающей среды, площади поверхности микроорганизма [4].
2
где λ - коэффициент теплопроводности волосяного покрова, Вт/м⋅К (воздуха 0,023 Вт/м⋅К; S - площадь поверхности микроорганизма, м; gradT - градиент температуры (разница температур между микроорганизмом и окружающей средой, отнесенный к радиусу микроорганизма, 0,07/r), К.
Потери на тепловое излучение при температуре поверхности микроорганизма:
-8
2
4
где σ - излучательная способность абсолютно черного тела (5,7⋅10 Вт/м⋅К); Т - абсолютная температура поверхности кожи, 50 + 273 = 323 К
-6
Расчеты показывают, что потерями на тепловое излучение можно пренебречь. Результаты расчета мощности диэлектрических потерь при разных напряженностях электрического поля и радиусе микроорганизма 0,5⋅10 м, сведены в табл. 1. Сравнительные графики, описывающие зависимость мощности диэлектрических потерь и мощности тепловых потерь от напряженности электрического поля приведены на фиг. 2.
Значение критической напряженности электрического поля, выше которой происходит уничтожение микроорганизмов в сырье можно определить по формуле: [4]:
Из анализа графиков вытекает, что критическая напряженность электрического поля составляет 1,2…1,5 кВ/см. Тогда при напряженности электрического поля, выше 1,2 кВ/см, следует ожидать прекращение размножения микроорганизмов в шкуре кролика. Напряженность 1,5 кВ/см на много меньше пробивной напряженности электрического поля в диапазоне СВЧ излучений, равной 30 кВ/см [5].
010
Далее проводим согласование объема резонатора с критической напряженностью электрического поля, собственной добротностью и с мощностью СВЧ генератора. В резонаторах, возбуждаемых на моде колебаний ТМ, напряженность электрического поля определяется по формулам [5]:
рез.
сырья
3
где V - объем резонатора, м; V - объем сырья, м; Q - собственная добротность резонатора; Р - мощность генератора, Вт.
Если принять собственную добротность резонатора, равной 9000, то можно определить какой может быть объем резонатора и объем сырья, чтобы обеспечить напряженность электрического поля, равной (1,2-1,5) кВ/см, при мощности генератора 3200 Вт (четыре генератора, мощностью по 800 Вт).
В объеме до 55 л можно возбудить электрическое поле напряженностью 1,2…1,5 кВ/см. Если собственную добротность резонатора увеличить до 10000 за счет использования лучшей отражающей поверхности и особой конфигурации, и направить три излучателя в резонатор, то необходимую напряженность электрического поля можно обеспечить также в объеме 350 л.
Если мощность излучателя всего 2400 Вт, тогда существенно снизить бактериальную обсемененность не удастся по теории Соколова В.Ф (см. формулу 3). Именно поэтому, полученные теоретические результаты можно реализовать в биконическом резонаторе объемом 350 л с собственной добротностью 9000, обеспечивая напряженность электрического поля до 1,2-1,5 кВ/см только в объеме до 55 л у оснований конусов, при мощности четырех СВЧ генераторов 3200 Вт.
Известно, что открытый биконический резонатор обеспечивает непрерывный режим работы, повышая радиационную добротность [3]. Характерной особенностью такого резонатора является наличие в резонансном объеме областей с резко выраженным экспоненциальным законом изменения электромагнитного поля. Соответствующим выбором угла при вершине конуса можно сформировать электромагнитное поле, сконцентрированное в основном в центральной области резонатора. В средней части таких резонаторов существуют волны, постоянное распространение которых уменьшается в случае удаления от центра резонатора. Вблизи тех сечений, для которых выполняются критические условия, образуются поверхности, где наблюдается практически полное отражение волн. Поскольку эти поверхности находятся внутри резонатора, излучение из открытых концов значительно уменьшается, т.е. обеспечивается радиогерметичность установки. Излучатели СВЧ энергии следует располагать в области максимального диаметра резонатора, т.е. оснований конусов [3]. Разработанная СВЧ установка, позволяющая реализовать все критерии по технологии обеззараживания и отделения волосяного покрова от шкур, содержит горизонтально расположенный, симметричный биконический резонатор (рис. 3). Внутри него установлен фторопластовый транспортер для перемещения шкуры, мездровая сторона которой вымочена рассолом определенной концентрации (5-7%). В области вершин резонатора имеются щели, ширина которых больше ширины транспортера, а высота щелей меньше, чем четверть длины волны. Это сохраняет радиогерметичность установки в пределах допустимого уровня. Магнетроны СВЧ генераторов расположены в области оснований конусов со сдвигом по периметру. На образующей биконического резонатора установлен распылитель рассола.
Принятую величину собственной добротности 9000, необходимо рассчитать через заданные конструкционные параметры усеченного биконического резонатора, т.е. через его геометрический объем и площадь поверхности. Схема усеченного биконического резонатора для отделения волосяного покрова от шкур кроликов с указанием размеров, обеспечивающих реализацию рассчитанных технологических параметров, приведена на фиг. 3.
Например, для необходимой производительности установки, по предварительным расчетам принимаем диаметр основания биконического резонатора семикратным длине волны, т.е. 85,68 см; высоту конуса 100 см, а длину центральной оси - 200 см. Если принять ширину сеточного транспортера 36 см, и учесть высоту щели для прохождения транспортера с шкурой, то длина биконического резонатора составит 125 см. Причем диаметр критического сечения равен 0,72⋅85,68 = 30,85 см. Тогда будет образован усеченный биконический резонатор, где на малых основаниях имеются вырезы на глубину 5,15 см. для прохождения транспортера. Угол наклона образующей усеченного конуса 67 градусов.
Известно, что запас энергии в резонаторе пропорционален его объему, а энергия потерь пропорциональна объему, в котором они происходят (произведение площади поверхности резонатора на толщину поверхностного слоя). Следовательно, для любого вида колебания в объемном резонаторе, его добротность можно приблизительно вычислить. Это удвоенное отношение объема, в котором запасается энергия электромагнитного поля, к объему, в котором она расходуется, т.е. к объему, занимаемому поверхностным слоем во всех стенках резонатора [5]:
3
2
где V - объем биконического резонатора, м; S - площадь внутренней поверхности, ограничивающей объем резонатора, м; К - геометрический множитель, учитывающий снижение добротности резонатора, из-за щели; Δ - толщина поверхностного слоя, м.
-5
Толщина поверхностного слоя при изготовлении биконического резонатора из алюминия составляет 1,68 10 м [2, 5]. Вычислим объем, площадь поверхности и собственную добротность биконического резонатора:
Образующая конуса
Боковая площадь поверхности биконического резонатора
Собственная добротность биконического резонатора
Вычислим объем и площадь поверхности усеченного биконического резонатора (выполненного в виде двух усеченных конусов):
где V - объем, S - площадь поверхности, h - высота конуса,  - длина образующей, R - радиус большого основания, r - радиус малого основания.
Объем усеченного биконического резонатора:
Площадь поверхности усеченного биконического резонатора:
Ожидаемая собственная добротность усеченного биконического резонатора:
Исследования показывают, что уменьшение высоты резонатора не влияет на его резонансную частоту, но сильно уменьшает его собственную добротность. Собственная добротность усеченного биконического резонатора (9647) всего на 10% меньше, чем добротность биконического резонатора (10816), т.е. существенное изменение добротности не происходит. Реальное значение собственной добротности усеченного биконического резонатора будет ниже расчетного на 10…20% из-за шероховатости поверхности резонатора и щели, т.е. в пределах 7000…8000.
Итак, усеченный биконический резонатор, объемом 350 л с собственной добротностью 9000, при мощности магнетронов 3200 Вт обеспечит напряженность электрического поля 1,2-1,5 кВ/см только в объеме 55 л у оснований конусов, и снижение общего микробного числа в два раза. Основные технические характеристики разрабатываемой установки, следующие: потребляемая мощность СВЧ генераторов 4,8 кВт; ожидаемая производительность установки 35-45 шт./ч; удельные энергетические затраты 0,25-0,39 кВт⋅ч/кг.
Результаты исследования продолжительности отделения волосяного покрова от кожи шкур кроликов при дозе воздействия ЭМПСВЧ, равной 400 Вт⋅ч/кг, в зависимости от концентрации рассола приведены на фиг. 4. При такой дозе воздействия ЭМПСВЧ продолжительность отделения волосяного покрова от кожи шкуры кроликов, мездровая сторона которой вымочена рассолом концентрацией 5-7%, составляет 60-70 с.
Выводы. 1. Размножение микроорганизмов в пухе при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты прекращается только при обеспечении напряженности электрического поля в резонаторе выше 1,2 кВ/см.
2. Усеченный биконический резонатор, объемом 350 л, с собственной добротностью 9000, при мощности генераторов 3200 Вт обеспечит напряженность электрического поля 1,2-1,5 кВ/см только в объеме 55 л у оснований конусов, и снижение общего микробного числа в два раза в пухе, при работе СВЧ установки в непрерывном режиме, производительностью до 45 шт./ч, с энергетическими затратами до 0,39 кВт⋅ч/кг.
3. Продолжительность отделения волосяного покрова от шкуры кроликов, мездровая сторона которой вымочена в рассоле, концентрацией 5-7%, составляет 60-70 с, если доза воздействия ЭМПСВЧ не менее 400 Вт⋅ч/кг.
Список источников:
1. А.С. №40499, http://www.findpatent.ru/patent/4/40499.html.
2. Гинзбург, А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. / А.С. Гинзбург. - М.: Агропромиздат, 1985. - 336 с.
3. Дробахин, О.О. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами // Радиофизика радиоастрономия, 2009, т. 14, с. 433-441.
4. Патент №2161505. Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа. http://ru-patent.info/21/60-64/2161505.html.
5. Пчельников, Ю.Н. Электроника сверхвысоких частот / Ю.Н. Пчельников, В.Т. Свиридов. - М.: Радио и связь, 1981. - 96 с.
6. Рогов, И.А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / под ред. И.А. Рогова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 288 с.
7. Рубцов, П.А. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1964. - 502 с.
8. Стрекалов А.В., Стрекалов Ю.А. Электромагнитные поля и волны: Учебное пособие. - М.: РИОР: ИНФРА-М, 2014. - 375 с.