СВЧ-конвективная хмелесушилка с полуцилиндрическими резонаторами и фторопластовыми гребенчатыми направляющими
MICROWAVE-CONVECTIVE HOP DRYER WITH SEMI-CYLINDRICAL RESONATORS AND FLUOROPLASTIC COMB GUIDES

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в хмелеводческих хозяйствах для поэтапной  сушки свежеубранного хмеля в непрерывном режиме с сохранением потребительских свойств.
Известна хмелесушилка ХС-400, основанная на конвективном способе подвода тепла [1]. Недостатки: высокие энергетические затраты; неравномерная окраска золотисто-зеленого оттенка раздробленных шишек хмеля; длительный процесс сушки свежеубранного хмеля.
Известна СВЧ-конвективная хмелесушилка с криволинейными поверхностями резонаторов, содержащая керамические зеркала [2, патент № 2772987], [3, патент № 2772992]. Недостатком является сложность согласования толщины слоя хмеля с глубиной проникновения электромагнитной волны (2,5−3 см) сантиметрового диапазона, что приводит к неравномерному диэлектрическому нагреву хмеля.
Наиболее близкой по технической сущности является известная СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с полусферическим резонатором [4, патент № 2770628]. Полусферический неферромагнитный резонатор состыкован с цилиндрической частью хмелесушилки соосно, к ее боковой поверхности пристыкованы воздуховоды с электрокалорифером. Полусферический резонатор разделен на зоны с помощью керамических перфорированных двояковыпуклых перегородок. Наверху резонатора установлены воздухоотводы от каждой зоны и бункер загрузки. Под бункером установлен диэлектрический распределитель.
Недостатками являютсясложности в поэтапном регулировании скорости нагрева и сушки свежеубранного хмеля.
керамическими
зеркалами,
фторопластовыми направляющими
,
Поэтому разработка хмелесушилки непрерывно-поточного действия систочниками конвективного подвода тепла и СВЧ энергии для избирательного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ, 2450 МГц, длина волны 12,24 см) и фокусирующими энергию электромагнитных излучений в объёме сырья, а также , повышающими равномерность сушки по толщине актуальна.
Анализ известных технических решений показал, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала средств, используемых для поэтапной сушки свежеубранного хмеля в непрерывном режиме с сохранением потребительских свойств.
Основными критериями при конструировании хмелесушилки с СВЧ генераторами и электронагревателями воздуха являются: ускорение поэтапной равномерной сушки свежеубранного хмеля; непрерывно-поточный режим работы; обеспечение разного температурного режима и разной напряженности электрического поля в резонаторах; электромагнитная безопасность (без применения экранирующего корпуса) при использовании магнетронов воздушного охлаждения.
Техническим результатом изобретения является − сохранение потребительских свойств высушенного обеззараженного хмеля.
Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата СВЧ-конвективная хмелесушилка содержит в горизонтальной плоскости соединенные секции равных по размерам неферромагнитных резонаторов, выполненных в виде состыкованных полуцилиндров и призматических оснований прямоугольного сечения,
при этом в неферромагнитные полуцилиндры соосно жестко, с гребенками направленными в сторону призматического основания, установлены равные по размеру перфорированные фторопластовые гребенчатые направляющие, высотой кратной половине длины волны, шагом гребенки не более две глубины проникновения волны и толщиной гребенки значительно меньше величины шага,
причем в неферромагнитные призматические основания соосно, под перфорированными фторопластовыми гребенчатыми направляющими установлены диэлектрические сеточные транспортеры, длиной равной длине резонаторов, с электроприводами, расположенными вне резонаторов, а между рабочими и холостыми ветвями сеточных транспортеров жестко закреплены  перфорированные керамические вогнутые зеркала, охватывающие площадь рабочих ветвей соответствующих транспортеров,
а основания неферромагнитных резонаторов представлены неферромагнитными облицовками торцов перфорированных фторопластовых гребенчатых направляющих,  неферромагнитными сегментами над ними и прямоугольными торцами призматических оснований,
при этом неферромагнитные воздуховоды направлены  против движения сырья под перфорированные керамические зеркала со стороны одного торца каждого неферромагнитного резонатора, а со стороны другого торца на поверхностях неферромагнитных полуцилиндров установлены воздухоотводы-запредельные волноводы,
причем к основанию неферромагнитного резонатора первой секции пристыкована неферромагнитная загрузочная емкость, куда установлен неферромагнитный сеточный загрузочный транспортер на уровне сеточного диэлектрического транспортера, а к основанию резонатора последней секции прикреплена неферромагнитная приемная емкость  в виде усеченной конической призмы, внутри которой установлен неферромагнитный ячеистый барабан, длиной равный ширине диэлектрического сеточного транспортера,
при этом все сеточные транспортеры расположены на одном уровне, а магнетроны воздушного охлаждения с волноводами установлены на поверхности каждого неферромагнитного полуцилиндра со сдвигом по спирали.
Применение СВЧ нагрева движущего сырья позволяет существенно поднять производительность установки. Но при этом главными недостатками этих установок являются сложность экранирующих конструкций, неравномерность поперечного сечения сырья (неравномерность нагрева по толщине) и электрические пробои при его высокой влажности. Если не добиться равномерности выделения тепла по сечению, то выравнивание температуры происходит за счет теплопроводности и тогда, чтобы не перегреть области с сильным электрическим полем, придется снижать мощность СВЧ генератора и удлинять продолжительность сушки. В результате преимущества СВЧ нагрева снижаются. Эти недостатки можно устранить, применив в качестве основы камеры сушки металлодиэлектрический резонатор, т.е. применив в неферромагнитном резонаторе фторопластовую направляющую особой конструкции, например фторопластовой гребенчатой направляющей, позволяющей выровнить толщину слоя в соответствии две глубины проникновения волны в хмель (5-6 см). Концентрацию энергии электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшение потерь на излучение можно добиться применением керамического зеркала, обладающего малыми диэлектрическими потерями. Если неферромагнитный резонатор содержит фторопластовый и керамический элементы, то такой резонатор называют металлодиэлектрическим.
Известно, что существует большое число разнообразных видов линий передачи поверхностных волн. Наибольшее распространение получили металлодиэлектрические резонаторы, содержащие диэлектрические пластины или гребенки в неферромагнитных резонаторах разного конструкционного исполнения. Характер распределения поверхностных электромагнитных волн вдоль диэлектрической гребенки, сложный. Поле поверхностной волны над фторопластовой гребенчатой направляющей имеет характер экспоненциально убывающий. При этом шаг гребенки мал по сравнению с длиной волны (12,24 см, 2450 МГц), а толщина зуба значительно меньше величины шага [5, стр. 98]. Для существования поверхностной волны необходимо, чтобы выполнялось условие: высота фторопластовой гребенчатой направляющей кратна четверти длины волны.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:
- пространственное изображение СВЧ-конвективной хмелесушилки с полуцилиндрическими резонаторами и перфорированными фторопластовыми гребенчатыми направляющими, общий вид (фиг. 1);
- пространственное изображение СВЧ-конвективной хмелесушилки с полуцилиндрическими резонаторами и перфорированными фторопластовыми гребенчатыми направляющими, общий вид в разрезе четвертой части (фиг. 2);
пространственное изображение СВЧ-конвективной хмелесушилки с полуцилиндрическими резонаторами и перфорированными фторопластовыми гребенчатыми направляющими, общий вид в разрезе с позициями (фиг. 3);
- пространственное изображение СВЧ-конвективной хмелесушилки с полуцилиндрическими резонаторами и перфорированными фторопластовыми гребенчатыми направляющими,  с указанием направления движения сырья и воздуха (фиг. 4);
- пространственное изображение неферромагнитного резонатора (фиг. 5);
- пространственное изображение диэлектрического сеточного транспортера (фиг. 6);
- пространственное изображение фторопластовой перфорированной гребенчатой направляющей с неферромагнитными облицовками торцов (фиг. 7);
- пространственное изображение перфорированного вогнутого керамического зеркала (фиг. 8);
- пространственное изображение неферромагнитного ячеистого барабана (фиг. 9);
СВЧ-конвективная хмелесушилка с полуцилиндрическими резонаторами и фторопластовыми гребенчатыми направляющими содержит (фиг. 1−9):
- неферромагнитный сеточный загрузочный транспортер 1 с электроприводом;
- загрузочную емкость 2 из неферромагнитного материала;
- неферромагнитные полуцилиндры 3, 15, 27 соответствующих секций хмелесушилки;
- неферромагнитные сегменты 4, 9, 16, 21, 28, 33 на основаниях неферромагнитных полуцилиндров соответствующих секций хмелесушилки;
- перфорированные фторопластовые гребенчатые направляющие 5, 17, 29 соответствующих секций хмелесушилки;
- неферромагнитные облицовки 6, 10, 18, 22, 30, 34 торцевых сторон перфорированных фторопластовых гребенчатых направляющих соответствующих секций хмелесушилки;
- магнетроны воздушного охлаждения с волноводами 7, 19, 31 на поверхностях полуцилиндров соответствующих секций хмелесушилки;
- неферромагнитные воздухоотводы-запредельные волноводы 8, 20, 32 на поверхности полуцилиндров соответствующих секций хмелесушилки;
- неферромагнитные призматические основания прямоугольного сечения 11, 23, 35 резонаторов соответствующих секций хмелесушилки;
- диэлектрические сеточные транспортеры 12, 24, 36 с электроприводами  соответствующих секций хмелесушилки;
- перфорированные вогнутые керамические зеркала 13, 25,37 соответствующих секций хмелесушилки;
- неферромагнитные воздуховоды 14, 26, 38 с тепловыми электрическими пушками соответствующих секций хмелесушилки;
- неферромагнитную приемную емкость 39 в виде усеченной конической призмы;
-  неферромагнитный ячеистый барабан 4.
СВЧ-конвективная хмелесушилка с полуцилиндрическими резонаторами и фторопластовыми гребенчатыми направляющими собрана из секций (фиг. 1−9). Каждый резонатор состоит из неферромагнитного полуцилиндра (3, 15, 27) состыкованного с неферромагнитным призматическим основанием прямоугольного сечения (11, 23, 35). Каждый неферромагнитный резонатор представлен как полуцилиндр, состыкованный с призматическим основанием прямоугольного сечения. Торцы резонаторов закрыты неферромагнитными сегментами и неферромагнитными облицовками торцов гребенчатых направляющих. Но, между гребенками остаются открытые пространства (щели для передвижения сырья).
В каждом неферромагнитном полуцилиндре (3, 15, 27) расположены перфорированные фторопластовые гребенчатые направляющие (5, 17, 29). Их торцевые стороны облицованы неферромагнитным материалом (6, 10, 18, 22, 30, 34).
В каждом неферромагнитном призматическом основании (11, 23, 35) расположены диэлектрические сеточные транспортеры (12, 24, 36) с электроприводами, расположенными вне сушилки. Между рабочей и холостой ветвями каждого диэлектрического сеточного транспортера расположены перфорированные керамические вогнутые зеркала (13, 25, 37). Их ширина равна диаметру полуцилиндра, а длина равна длине резонатора. Неферромагнитные воздуховоды (14, 26, 38) от соответствующих тепловых пушек направлены под перфорированные  керамические зеркала с одного торца резонатора (напротив движению сырья), а со стороны другого торца резонатора на поверхности полуцилиндра  расположены воздухоотводы − запредельные волноводы (8, 20, 32).
Неферромагнитная приемная емкость (39) в виде усечённой конической призмы пристыкована с торцевой стороны резонатора последней секции хмелесушилки. Количество секций зависит от необходимой производительности хмелесушилки. Внутри приемной емкости 39 в конической части, по ширине  сеточного диэлектрического транспортера 36, расположен неферромагнитный ячеистый барабан 40 для выгрузки высушенного хмеля.
Технологический процесс сушки свежеубранного хмеля.
Для реализации эффективного режима сушки предусмотрены возможности регулирования:
- частоты вращения соответствующих электродвигателей транспортеров (12, 24, 36) и ячеистого барабана (40);
- производительности вентиляторов и мощности соответствующих тепловых пушек (14, 26, 38);
- объема загрузки сырья в резонатор с изменением частоты вращения электродвигателя загрузочного транспортера 1;
- мощности СВЧ генераторов (5, 15, 22);
- удельной мощности генераторов, как отношение мощности генераторов к объему загрузки сырья в резонатор.
Высокая напряженность электрического поля (1,8−6 кВ/см) в каждом неферромагнитном резонаторе обеспечивается за счет интерференции концентрированных когерентных волн от перфорированных керамических зеркал (13, 25, 37), обладающих малым значением тангенса угла диэлектрических потерь, и за счет поверхностной волны на перфорированных фторопластовых гребенчатых направляющих (5, 16, 29).
Включить все электрические тепловые пушки (14, 26, 38) на соответствующие производительности вентиляторов и мощности нагревательных элементов.
Включить электроприводы диэлектрических сеточных транспортеров в следующей последовательности: последнего (36), среднего (24) и первого (12), далее электропривод неферромагнитного сеточного транспортера (1). Загрузить свежеубранные шишки хмеля в неферромагнитную загрузочную емкость 2. Влажное сырье перемещается с помощью неферромагнитного сеточного транспортера 1 и распределяется с помощью фторопластовой гребенчатой направляющей 5. Как только с помощью диэлектрического сеточного транспортера 12 сырье переместится в пространство между перфорированными гребенками, ширина которого равна двум глубинам проникновения волны, необходимо включить генератор 7. Тогда в резонаторе 3 возбуждается электромагнитное поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), сырье эндогенно нагревается. За счет интерференции поверхностной волны  от фторопластовой гребенчатой направляющей 5 и  концентрированной волны от керамического зеркала 13 в резонаторе возбуждается электрическое поле высокой напряженности, достаточной для обеззараживания сырья в процессе его равномерного эндогенного нагрева. Поверхностная влага с шишек хмеля удаляется теплым воздухом, попадающим через перфорированное керамическое зеркало 13 под рабочую ветвь диэлектрического сеточного транспортера 12 от неферромагнитного воздуховода 14, соединенного с соответствующей тепловой пушкой. Влажный воздух удаляется через неферромагнитный воздухоотвод-запредельный волновод 8.
В связи с тем, что все сеточные диэлектрические транспортеры расположены вплотную друг к другу на одном уровне, сырье попадает в пространство между перфорированными гребенками фторопластовой направляющей 17 второго неферромагнитного резонатора 15. Сушка сырья во втором неферромагнитном резонаторе, распределенного в пространстве между фторопластовыми перфорированными гребенками, происходит равномерно по ширине, так как шаг между гребенками не более две глубины проникновения волны. При этом, циркуляция теплого воздуха происходит через воздуховод 26 и воздухоотвод 20.
Аналогично происходит продолжение процесса сушки сырья в последующем неферромагнитном резонаторе 27. Высушенные в щадящем режиме шишки хмеля из фторопластовой перфорированной гребенчатой направляющей 29 с помощью транспортера 36 падают в неферромагнитную приемную емкость 39, откуда с помощью неферромагнитного ячеистого барабана выгружается в тару, предназначенную для транспортирования сухого хмеля.
Такая хмелесушилка обеспечивает поэтапное удаление влаги из шишек хмеля при передвижении сырья диэлектрическими сеточными транспортерами (12, 24, 36) через неферромагнитные резонаторы (3, 15, 27). При этом шишки хмеля подвергаются эндогенно-конвективному нагреву, высушиваются и обеззараживаются за счет высокой напряженности электрического поля, т.е. происходит сохранение потребительских характеристик и улучшение микробиологических показателей.
Во всех резонаторах доза воздействия ЭМПСВЧ, температура и напор подаваемого воздуха контролируются и регулируются в зависимости от влажности и объема загружаемого хмеля путем изменения  мощности генераторов, нагревательных элементов и потока воздуха, а также изменением частоты вращения электроприводов сеточных транспортеров. Все элементы системы управления расположены в шкафу управления, а электродвигатели расположены вне резонаторов.
За счет неферромагнитных емкостей (2, 39)  и неферромагнитного ячеистого барабана для выгрузки хмеля, а также за счет неферромагнитных сегментов и неферромагнитных облицовок торцов фторопластовых гребенчатых направляющих (6, 10, 18, 22, 30, 34) обеспечивается электромагнитная безопасность допустимых нормах. При этом имеющиеся между фторопластовыми гребенками открытые пространства (щели для перемещения сырья) в первом и последнем резонаторах, при правильном согласовании с глубиной проникновения  волны (не более двух глубин проникновения волны) ограничивают электромагнитные излучения, так как поле поверхностной волны под гребенкой имеет экспоненциально убывающий характер [5, стр. 98.].
Керамические вогнутые зеркала позволяют не только концентрировать энергию электромагнитного поля, но и уменьшать потери на излучение через открытые пространства между гребенками [6].
Источники информации:
1. Распоряжение № 738-р об утверждении Концепции развития хмелеводства в Чувашской Республике на 2020-2025 годы. [Электронный ресурс]. Режим допуска: km.cap.ru›doc/laws/2020/08/20/disposal-738-r.
2. Патент № 2772987 РФ, МПК С12С3/02; F26B3. Многорезонаторная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле / Просвирякова М.В., Сторчевой В.Ф., Горячева Н.Г., Михайлова О.В., Новикова Г.В. / заявитель и патентообладатель РГАУ–МСХА имени К.А. Тимирязева (RU). № 2021132821 от 11.11.2021. Бюл. № 16 от 30 05.2022.
3. Патент № 2772992 РФ, С12С3/02; F26B3. Хмелесушилка с тороидальными и астроидальными резонаторами с энергоподводом в электромагнитном поле / Просвирякова М.В., Сторчевой В. Ф., Горячева Н.Г., Новикова Г.В., Михайлова О.В., Зиганшин Б.Г. / заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). № 2021135280 от 01.12.2021. Бюл. № 16 от 30.05.2022.
4. Патент № 2770628 РФ, С12С3/02; F26B3. СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с полусферическим резонатором / Просвирякова М.В., Сторчевой В. Ф., Горячева Н.Г., Новикова Г.В., Михайлова О.В., Зиганшин Б.Г. / заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). № 2021136688 от 13.12.2021. Бюл. № 11 от 19.04.2022.
5. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение волн.  М.: Высшая школа, 1992, 208 с.
6. Диэлектрические резонаторы. Под редакцией М.Е. Ильченко. М.: Радио связь, 1989. 328 с.