Модульная СВЧ установка непрерывно-поточного действия для термообработки сырья
MODULAR CONTINUOUS-FLOW MICROWAVE UNIT FOR HEAT TREATMENT OF RAW MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к агропромышленному комплексу и может быть использовано для термообработки и обеззараживания биологического сырья разной структуры животного происхождения в перерабатывающих цехах фермерских хозяйств.
Первый модуль предназначен для термообработки вторичного биологического сырья животного происхождения, включая замороженные блоки мясных отходов. Модуль позволяет получить вареную и обеззараженную продукцию из непищевых мясных отходов, используемых в качестве белковой добавки животным.
Второй модуль предназначен для термообработки замороженного биологического сырья с фазовым переходом, которые коагулируются при температуре выше 40°С, например замороженная кровь, замороженное коровье молозиво и т.п. Размороженное и разогретое молозиво можно использовать для выпойки телят, как продукт высокой кормовой ценности, а размороженную кровь убойных животных можно использовать при производстве мясных изделий.
Третий модуль предназначен для термообработки вторичного вязкого сырья, обеспечивающий совмещение процессов обезвоживания измельченного мясного сырья, тонкое измельчение и термообработку твердой фракции для использования в виде белковой добавки животным.
В СВЧ установке модули могут работать одновременно или по отдельности, в зависимости от потребности и от имеющегося сырья. Все модули съемные и легко подвергаются санитарной обработке после окончания термообработки, а блок источников закрыт и подвергается только техническому осмотру.
Аналоги для каждого резонатора приведены ниже.
1. Аналогом первого модуля является СВЧ установка с квазистационарным резонатором для термообработки измельченного жиросодержащего сырья в непрерывном режиме [1]. Установка содержит тор и конденсаторную часть. В центральную часть резонатора установлена неферромагнитная приемная емкость в виде усеченного конуса. На наружную боковую поверхность тора установлены магнетроны.
Недостатками являются трудности санитарной обработки всех узлов установки и опасность попадания моющего средства через вентиляционный корпус на магнетроны.
2. Аналогом второго модуля является СВЧ установка для размораживания и разогрева коровьего молозива с соосно расположенными резонаторами [2]. В горизонтальной оси сферического резонатора расположен цилиндрический перфорированный резонатор, вращающийся от электродвигателя.
Недостатки аналогичны недостаткам первого аналога, а также конструкционная сложность узлов, обеспечивающих вращение цилиндрического перфорированного резонатора; трудность обеспечения равномерного распределения электромагнитного поля в сферическом резонаторе при вращении в нем перфорированного резонатора.
3. Аналогом третьего модуля является СВЧ установка с коническим резонатором для термообработки непищевых отходов животного происхождения [3]. Недостатки аналогичны недостаткам первого аналога.
Целью работы является разработка СВЧ установки со съемными модулями непрерывно-поточного действия для термообработки и стерилизации биологического сырья животного происхождения разной структуры с резонаторами, обеспечивающими электромагнитную безопасность без экранирующего корпуса и высокую напряженность электрического поля при сниженных эксплуатационных затратах с сохранением кормовой ценности продукта.
Технический результат достигается тем, что модульная СВЧ установка непрерывно-поточного действия для термообработки сырья животного происхождения содержит объемные резонаторы, имеющие съемные корпусы в виде трех модулей, расположенных под углом к горизонтальной плоскости и образующих блок с соприкасающимися между собой своими стационарными неферромагнитными основаниями (2, 20, 32), на которых со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами воздушного охлаждения, причем внутри соприкасающихся стационарными основаниями съемных корпусов модулей размещены охлаждающий вентилятор и электроприводы 1, 13 узлов модулей,
при этом первый модуль установки предназначен для термообработки вторичного биологического сырья животного происхождения, включая замороженные блоки мясных отходов и выполнен в виде неферромагнитного тороидального резонатора, к стационарному основанию которого прикреплен съемный корпус, состоящий из тороидальной части 7 и конденсаторной части 6, в зазоре конденсаторной части размещен диэлектрический ситовый цилиндр 5, диаметр которого меньше диаметра стационарного основания резонатора 2, при этом внутри ситового цилиндра установлен диэлектрический спиральный смеситель 13, а в центральной полости резонатора в его конденсаторной части установлен шнековый измельчитель 10 с решеткой и ножом, в приемной емкости которого размещен шредер 9, кроме того, к тороидальной части резонатора присоединен неферромагнитный патрубок с шаровым краном 12, при этом над неферромагнитным патрубком установлен диэлектрический диск 11 с электроприводом,
второй модуль установки предназначен для термообработки замороженного биологического сырья с фазовым переходом, которое коагулируется при температуре выше 40°С и выполнен в виде двух цилиндрических резонаторов наружного и внутреннего, имеющих разный диаметр, размещенных один в другом с соприкосновением их оснований 20, 21 и имеющих электровибратор 17 и приемную емкость 14 с заслонкой, при этом внутри приемной емкости установлен вальцовый измельчитель 15, на стационарное основание 20 наружного резонатора 16 вплотную установлено стационарное основание 21 внутреннего резонатора 18, а также магнетроны с волноводами, причем нижняя часть боковой поверхности внутреннего резонатора перфорирована, а к боковой поверхности наружного резонатора присоединен патрубок с шаровым краном 19,
третий модуль установки предназначен для термообработки вторичного вязкого сырья, обеспечивающий совмещение процессов обезвоживания и измельчения мясного сырья, тонкое измельчение и термообработку твердой фракции для использования в виде белковой добавки животным, и выполнен в виде усеченного конического неферромагнитного резонатора 23, внутри которого соосно расположены ситовый диэлектрический усеченный конус 26 без основания и диэлектрический усеченный ротор 24, причем диэлектрический ротор 24 снабжен диэлектрическим патрубком 22, проходящим через боковые поверхности резонатора 23 и ситового диэлектрического усеченного конуса 26, кроме того к усеченной части ситового конуса 26 присоединен диэлектрический усеченный конус 27, внутри которого соосно размещен диэлектрический шнек 29 , витки которого направлены к выходному патрубку 30, расположенному соосно в неферромагнитном патрубке 31 присоединенному к усеченному резонатору.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
фиг. 1 - схематическое изображение блока источников из соприкасающихся трех круглых стационарных оснований с магнетронами, электроприводами вентилятора (вид сверху);
фиг. 2 - схематическое изображение первого модуля, выполненного в виде неферромагнитного тороидального резонатора с подачей измельченного с помощью шредера и шнека сырья в его конденсаторную часть;
фиг. 3 - пространственное изображение первого модуля, выполненного в виде неферромагнитного тороидального резонатора со стационарным основанием (с вырезами);
фиг. 4 - схематическое изображение второго модуля, выполненного в виде
двух неферромагнитных цилиндрических резонаторов, расположенных не соосно, но соприкосновением боковых поверхностей;
фиг. 5 - пространственное изображение второго модуля, выполненного в виде
двух неферромагнитных цилиндрических резонаторов вместе со стационарными основаниями;
фиг. 6 - схематическое изображение третьего модуля, выполненного в виде неферромагнитного усеченного конического резонатора со стационарным основанием;
фиг. 7 - пространственное изображение третьего модуля, выполненного в виде неферромагнитного усеченного конического резонатора со стационарным основанием.
Модульная СВЧ установка непрерывно-поточного действия для термообработки сырья (фиг. 1-7) содержит:
- блок источников из соприкасающихся круглых стационарных оснований с магнетронами и вентилятором 1 для их охлаждения, и электроприводов;
- первый модуль с тороидальным резонатором, включающий:
стационарное основание тороидального резонатора 2 (приведено на фиг. 1);
тороидальный резонатор 3;
магнетроны с волноводами 4;
ситовый диэлектрический цилиндр 5;
конденсаторную часть резонатора 6;
тороидальную часть резонатора 7;
приемную емкость 8;
шредер (измельчающий механизм) 9;
измельчитель «Волчок» (нож, решетка, шнек) 10;
диск диэлектрический с электроприводом 11;
выгрузной патрубок с шаровым краном 12;
спиральный диэлектрический смеситель 13;
- второй модуль с соосно расположенными цилиндрическими резонаторами, включающий:
приемную емкость 14;
измельчитель вальцовый с электроприводом 15;
наружный цилиндрический резонатор 16;
электровибратор 17;
внутренний цилиндрический резонатор 18;
патрубок с шаровым краном 19;
стационарное основание наружного цилиндрического резонатора 20 с магнетронами (представлено на фиг. 1);
стационарное основание внутреннего цилиндрического резонатора 21 с магнетронами;
- третий модуль с коническим резонатором, включающий:
диэлектрический патрубок для перекачивания с помощью насоса вязкой жидкости 22;
усеченный конический неферромагнитный резонатор 23;
диэлектрический ротор в виде усеченного конуса 24 покрытый мелкозернистым абразивным материалом, с электроприводом 25;
ситовый диэлектрический усеченный конус без оснований 26;
усеченный диэлектрический конус 27;
канал 28 для стекания выделенной из сырья жидкости;
диэлектрический шнек 29 для транспортирования вареной твердой фракции сырья;
корпус шнека 30 с электроприводом;
неферромагнитный патрубок 31 для слива жидкой фракции;
стационарное основание 32 усеченного конического резонатора 23 (приведено на фиг.1).
Модульная СВЧ установка (фиг. 1-7) непрерывно-поточного действия для термообработки сырья содержит:
модули (фиг. 2, 3, 4, 5, 6, 7), расположенные под углом к горизонтальной плоскости и блок с соприкасающимися между собой стационарными неферромагнитными основаниями 2, 20, 32 этих модулей (фиг. 1), на которых со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами воздушного охлаждения.
В блоке источников, внутри соприкасающихся стационарных оснований 2, 20, 32, содержащихся элементы фиксации съемных корпусов резонаторов 3, 16, 18, размещены охлаждающий вентилятор 1 и электроприводы 1, 13 узлов модулей.
Первый модуль (фиг. 2, 3) выполнен в виде неферромагнитного тороидального резонатора 3, к его стационарному основанию пристыкован съемный корпус, состоящий из тороидальной части 7 и конденсаторной части 6. В зазоре конденсаторной части резонатора вплотную к обкладкам размещен диэлектрический ситовый цилиндр 5, внутри которого установлен диэлектрический спиральный смеситель 13. Диаметр ситового цилиндра меньше диаметра стационарного основания резонатора 2. В конденсаторную обкладку малого диаметра установлена решетка с ножом шнекового измельчителя 10, расположенного в центральной полости тороидального резонатора 3. В приемной емкости измельчителя размещен шредер 9. К тороидальной части 7 резонатора пристыкован неферромагнитный патрубок с шаровым краном 12. Над этим патрубком расположен диэлектрический диск 11 с электроприводом.
Второй модуль (фиг. 4, 5) выполнен в виде двух цилиндрических резонаторов разного диаметра, размещенных один в другом с соприкосновением их оснований 20, 21 и образующих, куда установлен электровибратор 17 и приемная емкость 14 с заслонкой. Внутри емкости имеется измельчитель 15 в виде оребренных вальцов. На стационарное основание 20 наружного резонатора 16 вплотную установлено стационарное основание 21 внутреннего резонатора 18, где размещены магнетроны с волноводами. Основания имеют элементы фиксации съемного корпуса. Нижняя часть боковой поверхности внутреннего цилиндрического резонатора 21 перфорирована, а к боковой поверхности наружного цилиндра пристыкован патрубок с шаровым краном 19.
Третий модуль (фиг. 6, 7) выполнен как соосно расположенные внутри усеченного конического неферромагнитного резонатора 23, ситовый диэлектрический усеченный конус 26 без оснований и диэлектрический усеченный ротор 24. Под диэлектрический ротор 24 подведен диэлектрический патрубок 22 через боковые поверхности резонатора 23 и ситового диэлектрического усеченного конуса 26. За резонатором этот патрубок соединен с неферромагнитным патрубком, выполняющим функцию запредельного волновода. К усеченной части ситового конуса 26 пристыкован диэлектрический усеченный конус 27, внутри которого соосно размещен диэлектрический шнек 29, витки которого направлены к выходному патрубку 30, расположенного соосно в неферромагнитном патрубке 31, состыкованного с усеченной частью резонатора.
Каждый модуль рассчитан на определенный технологический процесс.
Технологический процесс в первом модуле (фиг. 2), предназначенном для термообработки вторичного биологического сырья животного происхождения, происходит следующим образом. Включить электроприводы диэлектрического смесителя 13, измельчителя «Волчок» 10, шредера 9 и вентилятор 1, расположенный в блоке источников. Загрузить в приемную емкость 8 непищевые отходы животного происхождения (они могут быть замороженными, могут быть и кости и т.д.) и открыть заслонку. Сырье измельчается с помощью шредера 9, далее нагнетается и тонко измельчается с помощью измельчителя «Волчек» 10, через решетку попадает в ситовый диэлектрический цилиндр 5, после чего необходимо включить генераторы 4, расположенные на стационарном основании 2 первого модуля на определенную мощность. Излучатели магнетронов направлены в конденсаторную часть резонатора. В тороидальном резонаторе 3 возбуждается бегущая волна (длина волны 12,24 см, частота 2450 МГц). Сырье за счет токов поляризации нагревается, варится в процессе перемешивания с помощью диэлектрического спирального смесителя 13.Сыпучий вареный продукт просыпается через ситовый диэлектрический цилиндр, и при открытии шарового крана12 в патрубке (являющемся запредельным волноводом) выгружается из тороидальной части 7 резонатора. По окончании процесса следует выключить все источники в обратной последовательности. Отделить съемный модуль (тороидальный резонатор со смесителем без электродвигателя) от основания 2 и провести санитарную обработку всех узлов и комплектующих.
Технологический процесс во втором модуле (фиг. 4), предназначенном для термообработки замороженного биологического сырья животного происхождения с фазовым переходом, которые коагулируются при температуре выше 40°С (замороженная кровь, замороженное коровьего молозиво и т.п.) происходит следующим образом. Закрыть шаровой кран 19, включить электровибратор 17 и электропривод вальцового измельчителя с оребренной поверхностью. Загрузить замороженный продукт в приемную емкость 14, открыть заслонку. После того как измельченное с помощью измельчителя 15 сырье попадает во внутренний цилиндрический резонатор 18, включить генераторы на стационарном основании 21. Излучатели от магнетронов направлены в цилиндрические резонаторы 16, 18. Замороженное сырье размораживается воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты. При фазовом переходе жидкое молозиво стекает через нижнюю часть боковой поверхности внутреннего цилиндрического резонатора 18 в наружный цилиндрический резонатор 16, после, чего включить генераторы, расположенные на стационарном основании 20 второго модуля на определенную мощность. В обоих цилиндрических резонаторах возбуждается электромагнитное поле сверхвысокой частоты разной дозы. Такая технология диэлектрического нагрева сырья в разных резонаторах замороженном и жидком состоянии, т.е. при фазовом переходе связано тем, что характер изменения фактора диэлектрических потерь сырья противоположный, т.е. в диапазоне отрицательных температур в процессе размораживания растет, а в диапазоне положительных температур в процессе разогрева падает.
Модуль, реализующий эти процессы в разных резонаторах, обеспечивает сокращение продолжительности размораживания и разогрева молозива при сохранении требуемых физико-химических и биологических свойств сырья, при одновременном сокращении энергозатрат.
Технологический процесс в третьем модуле (фиг. 6), предназначенном для термообработки вторичного вязкого сырья животного происхождения, обеспечивающий совмещение процессов обезвоживания измельченного мясного сырья, тонкое измельчение и термообработку твердой фракции для использования в виде белковой добавки животным, происходит следующим образом. Включить электропривод 25 диэлектрического ротора 24, электропривод диэлектрического шнека 29, электропривод насоса вязкой жидкости 22. После этого, вязкое вторичное сырье поступает в усеченный конический резонатор через состыкованные патрубки (неферромагнитный резонатор и диэлектрический резонатор). Включить генераторы, которые расположены в блоке источников на стационарном основании 32, излучатели которых направлены в резонатор 23. Диэлектрический ротор 24, покрытый мелкозернистым абразивным материалом, при вращении тонко измельчает сырье, за счет центробежной силы жидкая фракция просачивается через ситовый диэлектрический усеченный конус 26, сырье обезвоживается, твердая фракция вариться и с помощью диэлектрического шнека 29, 30 транспортируется за пределы резонатора. Шнек расположен в неферромагнитном патрубке 31, выполняющий функцию запредельного волновода. Кроме этого, за счет имеющегося в коническом резонаторе критического сечения [4], за пределы которого волны не распространяются, а отражаются в обратную сторону, образуя стоячую волну, излучение не происходит.
Источники информации:
1. Патент РФ №2726565. СВЧ установка с квазистационарным тороидальным резонатором для вытопки обеззараженного жира из измельченного жиросодержащего сырья в непрерывном режиме. №2019122928; заявл. 16.07.2019; опубл. 14.07.2020. Бюл. №20. Тихонов А.А., Казаков А.В., Просвирякова М.В., Новикова Г.В.
2. Патент РФ №2734593.СВЧ установка для размораживания и разогрева коровьего молозива с соосно расположенными резонаторами. №2020104252;
заявл. 30.01.2020; опубл. 20.10.2020. Бюл. №29. Новикова Г.В., Белова М.В., Михайлова О.В., Тараканов Д.В., Сорокин И.А., Тихонов А.А., Казаков А.В.
3. Патент №2710154 РФ. Сверхвысокочастотная установка с коническим резонатором для обезвоживания и термообработки мясных отходов, заявитель и патентообладатель НГСХА (RU). - №2019118371; заявл. 13.06.2019. Бюл. №36 от 24.12.2019. Тихонов А.А., Казаков А.В., Новикова Г.В., Горбунов Б.И.
Дробахин, О.О. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия, 2009, Т. 1, №4, - С. 433-441.