УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ШЕЛУШЕНИЯ ЗЕРНА В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
APPARATUS FOR DISINFECTING AND SHELLING GRAIN IN SUPER-HIGH-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD

Предлагаемое изобретение относится к технологическому оборудованию предприятий по переработке зерна и предназначено для обеззараживания и шелушения зерна.
Одной из основных технологических операций при переработке зерна является шелушение, т.е. снятие пленок с зерна ячменя, овса, проса, гороха. К процессу шелушения предъявляют два основных требования: обеспечение более полного отделения пленок от зерна; максимальная сохранность целостности ядра. При шелушении стремятся получить как можно больше шелушенных зерен при малой дробимости ядра. Для этого известны шелушильные машины, воздействующие на зерно продолжительным трением между рабочими органами, это шелушильно-шлифовальные машины ЗШН, машины с абразивным барабаном и вращающейся сетчатой обечайкой и т.д. [1]. Рабочие органы − это вращающийся полый вертикальный вал с несколькими абразивными дисками. Вал с дисками окружен ситовой обечайкой, которая заключена в цилиндрический корпус [2]. Недостатки: высокий расход электроэнергии; интенсивное разрушение примесей, удаление слоев плодовой оболочки сопровождаются разрушением большого количества зерен и нередко повреждением эндосперма. Это приводит к значительным потерям зерна, что вызвало необходимость поисков иных способов обработки зерна.
Известны установки для микронизации зерна воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) [3]. Такая обработка зерна обеспечивает полное уничтожение микроорганизмов в готовом продукте и его высокую питательность для молодняка животных.
Предлагаемое изобретение предназначено для обеззараживания и шелушения зерна за счет воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и интенсивного трения между вращающимися тороидальными резонаторами и неподвижным перфорированным цилиндром из диэлектрического материала.
Технологической задачей изобретения является сочетание процессов обеззараживания и шелушения зерна для улучшения качества продукта и снижения эксплуатационных затрат.
Технический результат достигается тем, что установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (фиг. 1) имеет вертикально расположенный на монтажном каркасе цилиндрический экранирующий корпус с приемным и выгрузными патрубками, выполняющими функции запредельных волноводов, внутри корпуса коаксиально расположены диэлектрический перфорированный цилиндр и пустотелый вал, образуя между собой кольцевой зазор, а на вал поярусно насажены тороидальные резонаторы с круглым сечением, причем тор собран из ободков и соединен пустотелым кольцевым диском, при этом между секторами ободков, выполненных из неферромагнитного материала и покрытых с наружной стороны абразивным материалом, установлены диэлектрические ободки, а зазор между ободками менее четверти длины волны, но больше толщины зерна, причем с наружной стороны экранирующего корпуса равномерно по высоте установлены сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторные блоки с радиальным сдвигом, при этом их излучатели в сферическом сегменте, расположенные на уровне тороидальных резонаторов, направлены с их боковой стороны, при этом количество СВЧ генераторов меньше или равно количеству тороидальных резонаторов, причем на пустотелом вертикальном валу, в местах посадки пустотелых кольцевых дисков, высверлены несколько радиальных отверстий и внизу на него установлены вентиляторные лопасти, при этом вал, установленный на подшипниках, приводится в движение от электродвигателя, причем один выгрузной патрубок соединен с кольцевым зазором, второй - с зазором между экранирующим корпусом и диэлектрическим перфорированным цилиндром на уровне лопастей вентилятора, а приемный патрубок установлен на крышке корпуса, содержащей головку, соединенной с пустотелым валом, для регулирования доступа воздуха.
На фиг. 1 изображена установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты: 1 − монтажный каркас, 2 - электродвигатель, 3 − вентилятор, 4 - выгрузной патрубок для удаления продукта из установки, 5 − экранирующий корпус, 6 - диэлектрический перфорированный цилиндр, 7 − пустотелый вертикальный вал, 8 − тороидальные резонаторы круглого сечения (тор), 9 − пустотелые кольцевые диски из неферромагнитного материала, 10 −  крышка экранирующего корпуса, 11 − приемный патрубок-запредельный волновод, 12 −  кольцевой зазор, 13 - СВЧ генераторный блок с излучателем 14 и сферическим сегментом, 15 - ободки из неферромагнитного материала, покрытые абразивным материалом, 16 − диэлектрические ободки, 17 − патрубок для выгрузки лузги (запредельный волновод).
На фиг. 2 показана установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (разрез А-А): 4 - выгрузной патрубок, 5 − экранирующий корпус, 6 − диэлектрический перфорированный цилиндр, 7 − пустотелый вертикальный вал, 8 − тороидальные резонаторы круглого сечения (тор из ободков), 9 − пустотелые кольцевые диски, 12 −  кольцевой зазор, 13 - СВЧ генераторные блоки с излучателями 14 и сферическим сегментом, 15 - ободки из неферромагнитного материала, покрытые абразивным материалом, 16 - диэлектрические ободки, 17 − патрубок для выгрузки лузги.
На фиг. 3 показано пространственное изображение тороидального резонатора круглого сечения: 7 - пустотелый вертикальный вал, 8 - тор, т.е. периферийная часть резонатора, выполненная из ободков, 9 - центральная часть (пустотелый кольцевой диск) резонатора, 15 - ободки из неферромагнитного материала, покрытые абразивным материалом, 16 - диэлектрические ободки.
На фиг. 4 показано схематическое изображение тороидального резонатора с указанием структуры электромагнитных полей: 7 − пустотелый вертикальный вал, 8 − тор из ободков, 9 − пустотелые кольцевые диски, 18 - силовые линии электрического и магнитного полей.
Установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (фиг. 1, 2) содержит: монтажный каркас 1, электродвигатель 2, вентилятор 3, патрубок 4 с шибером для удаления продукта из установки, экранирующий корпус 5 из неферромагнитного материала, диэлектрический (фторопласт) перфорированный цилиндр 6, пустотелый вертикальный вал 7, тороидальные резонаторы круглого сечения 8 с пустотелыми кольцевыми дисками 9, крышка экранирующего корпуса 10, патрубок-запредельный волновод 11, кольцевой зазор 12, СВЧ генераторные блоки 13 с излучателями 14 и сферическими сегментами, ободки 15 из неферромагнитного материала, покрытые абразивным материалом, ободки 16 из диэлектрического материала, патрубок для выгрузки лузги (запредельный волновод) 17.
Установка для обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты сконструирована следующим образом.
Установка (фиг. 1) состоит из монтажного каркаса 1, куда установлены экранирующий корпус 5 и электродвигатель 2 с передаточным механизмом для привода вертикально расположенного вала 7 и вентилятора 3. Выгрузной патрубок 4 для удаления продукта из установки одновременно выполняет функцию запредельного волновода. Внутри экранирующего корпуса 5 коаксиально установлены диэлектрический перфорированный цилиндр 6 и пустотелый вал 7. На пустотелом вертикальном валу 7 поярусно насажены несколько тороидальных резонаторов 8 круглого сечения (периферийная часть) с пустотелыми кольцевыми дисками 9 (центральная часть), так что вал 7 по диаметру проходит через отверстие кольцевого диска 9. Цилиндрический экранирующий корпус 5 содержит крышку 10, где помещаются верхний подшипник, головка для регулирования доступа воздуха в пустотелый вал и приемный патрубок 11, выполняющий также функцию запредельного волновода, через который зерно поступает в рабочую зону установки. Между диэлектрическим перфорированным цилиндром 6 и тороидальными резонаторами 8 имеется кольцевой зазор 12, размер которого подбирают в зависимости от физико-механических свойств зерна. В местах посадки на вертикальный вал 7 пустотелых кольцевых дисков 9 высверлены несколько радиальных отверстий для пропуска воздуха из внутренней части вала 7 в рабочую зону установки. Тор круглого сечения 8 собран из ободков 15 из неферромагнитного материала (алюминий, медь, латунь, сталь), покрытых абразивным материалом (фиг. 2, 3, 4). Тор 8, соединенный с пустотелым кольцевым диском 9, образует тороидальный резонатор. Тороидальные резонаторы 8, 9 насажены на пустотелый вал 7 поярусно. С наружной стороны экранирующего цилиндрического корпуса 5 установлены СВЧ генераторные блоки 13 так, что они сдвинуты и радиально и по высоте корпуса. Излучатели 14 направлены в сторону тора 8 через диэлектрические втулки, имеющиеся в экранирующем корпусе 5, в местах закрепления СВЧ генераторных блоков 13. Расстояние между ободками 15, 16 меньше четверти длины волны (3,08 см) и больше толщины зерен. Несколько ободков 16 выполнены из диэлектрического материала и пространственно сдвинуты друг от друга (например, три ободка сдвинуты на 120 градусов). Это создает пространство для прохождения потока электромагнитных излучений 18 в импульсном режиме во внутрь тороидального резонатора 8, 9 в процессе его вращения. На уровне вентилятора 3 к корпусу 5 пристыкован третий патрубок 17 для выгрузки лузги, он также выполняет функции запредельного волновода.
Технологический процесс обеззараживания и шелушения зерна в электромагнитном поле сверхвысокой частоты происходит следующим образом. Исходное зерно (фиг. 1) через приемный патрубок 11 попадает в рабочую зону (в тороидальный резонатор 8, 9, в кольцевой зазор 12, т.е. в пространство между тороидальными резонаторами и перфорированным диэлектрическим цилиндром 6). Зерно попадает внутрь тороидальных резонаторов через зазоры между ободками 15, так как зазор на периферии тора больше, чем толщина зерен, но меньше, чем четверть длины волны (3,08 см) (фиг. 2).
При каждом совмещении излучателя 14 с местом расположения диэлектрического ободка 16 происходит возбуждение СВЧ колебаний в тороидальном резонаторе в импульсном режиме, что позволяет выровнить давление, температуру, влажность зерна по объему. Ограничение потока излучений из тороидальных резонаторов через зазоры между ободками происходит за счет того, что максимальный зазор не более, чем четверть длины волны. Поглощение энергии электромагнитных излучений зерном происходит внутри тороидальных резонаторов, так как зерно попадает в электромагнитное поле сверхвысокой частоты 18 (ЭМПСВЧ), а также частично в кольцевом пространстве, все это позволяет снизить бактериальную загрязненность зерна.
Между вращающейся абразивной поверхностью тороидальных резонаторов 8 и перфорированным диэлектрическим цилиндром 6 (в кольцевом зазоре) происходит шелушение зерна. Исходное зерно подвергается интенсивному трению в кольцевом зазоре между тороидальными резонаторами 8, 9 и перфорированным цилиндром 6, вследствие чего от зерна отделяются пленки и оболочки (лузги), т.е. зерно шелушится. Рабочая зона продувается воздушным потоком. Вентилятор 3 с вертикальными лопатками засасывает воздух через отверстия в пустотелом валу и подает его в пустотелые диски 9. Пронизывая продукт, проходящий через кольцевой зазор, воздух захватывает отдельные частицы оболочек, мелкую лузгу и уносит их в циклон, т.е. относы, образованные в процессе шелушения сдуваются, с внутренней поверхности перфорированного цилиндра 6 и удаляются.
Струя воздуха, проходящего через продукт, уменьшает скорость опускания зерна, увеличивая тем самым эффективность шелушения. Если кольцевой зазор не заполнен продуктом, вентилятор 3 засасывает наружный воздух, в результате чего уменьшается воздействие воздуха на зерно. Это снижает эффективность шелушения и обеззараживания зерна. Оптимального технологического эффекта можно достичь только тогда, когда установка работает при заполненной зерном рабочей зоны. На технологический эффект оказывают: окружная скорость тороидальных резонаторов (12…25 м/с), размер кольцевого зазора (14…18 мм), крупность зерна абразива на штифтах и продолжительность обработки, расстояние между тороидальными резонаторами. Изменяя зазор с помощью шибера в выгрузном патрубке 4 для удаления продукта, можно установить оптимальное время пребывания зерна в рабочем пространстве. В зависимости от прочности связей пленок и оболочек с ядром требуются различные продолжительность и интенсивность воздействия рабочих органов машины. При облуживании следует обратить внимание на свободный выход зерна из установки и непрерывное удаление относов; отсутствие битых и полноценных зерен в отходах.
Тороидальный резонатор 8, 9 имеет сложный профиль поперечного сечения [4]. Тор круглого сечения (периферийная часть) собран из ободков, наружная поверхность которых покрыта абразивным материалом (фиг. 3, 4). Причем несколько ободков 17, сдвинутых пространственно по окружности резонатора, выполнены из диэлектрического материала. В центральной части расстояние между стенками (пустотелого диска 9) тороидального резонатора меньше, чем диаметр сечения тора. Электронный поток, проходя через отверстия близи расположенных стенок резонатора 9 (в пустотелом диске), возбуждает в нем электромагнитные колебания (фиг. 4). Малое расстояние между стенками полого диска позволяет сократить время пролета электронов в резонаторе, а это очень важно при генерировании и усилении колебаний СВЧ. Форма профиля резонатора определяет структуру возбуждаемых электромагнитных полей. Электрическое поле в основном концентрируется в центральной части резонатора, где расстояние между стенками диска невелико, т.е. эта часть резонатора имеет преимущественно емкостной характер, а периферийная часть, где в основном расположено магнитное поле, эквивалентна индуктивности. Если стенки резонатора сделать гибкими, то при их сближении емкость резонатора увеличится и собственная частота уменьшится и наоборот.
От количества СВЧ генераторных блоков 2 зависит производительность установки и качество стерилизации зерна. Планируемые конструктивно-технологические параметры установки: вес порции зерна в рабочей камере в пределах 20 кг; продолжительность пребывания зерна в рабочем пространстве (1…8 мин); диаметр тороидального резонатора 250 мм; диаметр ситового цилиндра 270 мм.
В зерне, поступающем в установку, не должно быть камней и металлических примесей, иначе возможно образование искры при ударе их об абразивную поверхность и попадании в объемный резонатор. Вал должен быть изготовлен из стали.
Исследования показывают, что хлеб из муки, полученной из шелушенного в электромагнитном поле сверхвысокой частоты зерна, имеет больший объемный выход, мякиш его более светлый, структура значительно лучше, чем из муки, полученной из зерна базового варианта.
Источники информации
1. Соколов А.Я. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна / А.Я. Соколов. - М.: Колос, 1967. С. 396…397.
2. Бутковский В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства. - М.: Агропромиздат, 1989. - 278…280 с.
3. Патент РФ №2489068, МПК А23N 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.
4. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны / Г.Б. Белоцерковский. - М.: Советское радио, 1979. - Ч. 1. Основы радиотехники. С. 338…339.