СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ УСТАНОВКА СО СФЕРИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СЫРЬЯ ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В НЕПРЕРЫВНОМ РЕЖИМЕ
SUPERHIGH-FREQUENCY INSTALLATION WITH SPHERICAL RESONATOR FOR THERMAL PROCESSING OF RAW MATERIAL OF ANIMAL ORIGIN ON CONTINUOUS BASIS

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для переработки непищевых отходов животного происхождения, получения на его основе белковой кормовой добавки.
Известно, что отходы убоя животных варят острым паром в специальных котлах под давлением [1]. Существует большое разнообразие конструкций варочного котла паровой группы, отличающихся технологией производства. Котлы периодического действия работают по принципу загрузки сырья через определенные промежутки времени. Варочные котлы непрерывного действия работают по принципу конвейера. Компоненты загружают в котел, нагревают, перемешивают, отстаивают и выгружают. Главное преимущество - это технология исключает подгорание, но процесс очень длительный.
При использовании нагрева сырья с помощью энергии сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, из-за проникновения волны в сырье, происходит преобразование этой энергии в тепло не на поверхности, а в его объеме, и поэтому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева по сравнению с традиционными способами. Это обеспечивает улучшение качества продукта, стерильность процесса и безынерционность регулирования нагревом.
Имеющие СВЧ установки, изготовленные с использованием нескольких источников энергии, требуют специальных средств защиты магнетронов от отраженной мощности; в них сложно обеспечить равномерность нагрева сырья.
В связи с этим нами проектируется СВЧ установка, снабженная маломощными источниками энергии (0,8…1,2 кВт), с воздушным охлаждением и не требующих защиты от отраженного потока излучений, обеспечивающих равномерность нагрева сырья за счет использования вращающегося сферического резонатора, заполненного малым объемам сырья, согласованным с глубиной проникновения ЭМПСВЧ.
Известна многомодовая сверхвысокочастотная установка типа MKE-1,6, которая оснащена двумя магнетронами. При частоте 2,45 ГГц каждый магнетрон имеет мощность по 800 Вт. СВЧ энергия непосредственно подводится в цилиндрический резонатор, а это неэффективное использование энергии, генерируемой магнетронами, и это лабораторная установка предназначена для применения в диапазоне низкой температуры.
Анализируя существующие аппаратные решения СВЧ установок, можно сделать выводы:
1) все резонаторы, созданные на основе бытовых микроволновых печей, мультимодовые, т.е. генерируется большое число тип волн;
2) для передачи энергии от магнетрона к нагрузке без потерь необходимо согласовать все элементы электродинамической системы (генератор – резонатор - нагрузка);
3) изменение характеристик сырья при воздействии ЭМПСВЧ приводит к рассогласованию нагрузки с волноводом;
4) самой максимальной собственной добротностью обладают резонаторы сферического исполнения, так как максимальный объем резонатора при минимальной его площади поверхности возможен только при сферическом исполнении резонатора.
Поэтому в СВЧ установках следует проектировать сферические резонаторы, у которых добротность 6000…10000. Нагруженная добротность резонатора это отношение запасенной энергии к общим потерям. Ее величина одного и того же резонатора может изменяться в широких пределах (100…500) за счет изменения связи с нагрузкой.
При использовании многомодовых резонаторов геометрия электромагнитного поля эффективнее взаимодействует с сырьем при определенном значении диаметра резонатора. Например, максимум интенсивности нагрева достигается тогда, когда диаметр резонатора равен длине волны электромагнитного поля. Поэтому при проектировании резонаторов следует учитывать, что только при его сферическом исполнении можно достичь максимальной собственной добротности резонатора. Разработка сверхвысокочастотной установки со сферическим резонатором для работы в непрерывном режиме с несколькими излучателями от СВЧ генераторов малой мощности для обеспечения максимума интенсивности нагрева сырья актуальна.
Прототипом является сверхвысокочастотная установка со сферическим резонатором, выполненным из двух полусфер, причем нижняя перфорированная полусфера вращается и обеспечивает непрерывность технологического процесса [2].
Технический результат достигается тем, что сверхвысокочастотная установка со сферическим резонатором для термообработки сырья животного происхождения в непрерывном режиме содержит в сферическом экранирующем корпусе, с приемным и выгрузным патрубками, вращающийся сферический резонатор с пластинчатым диэлектрическим сегментом в верхней части,
по вертикальной оси резонатора проложен диэлектрический вал, вращающийся от электродвигателя, установленного с наружной стороны экранирующего корпуса снизу, при этом верхние части сферического экранирующего корпуса и сферического резонатора, диаметр которого согласован с длиной волны, максимально приближены друг к другу и имеют соосные отверстия для закрепления приемного патрубка и диэлектрического вала соответственно,
а с наружной стороны экранирующего корпуса сверху установлены измельчитель и сверхвысокочастотные генераторы так, что излучатели направлены внутрь вращающегося сферического резонатора равномерно по периметру диэлектрического пластинчатого сегмента, а измельчитель состыкован с приемным патрубком, при этом выгрузной патрубок состыкован с нижней стороны экранирующего корпуса, причем сферический резонатор перфорирован или дифракционный, размеры отверстий перфорации и щелей согласованы с размерами частиц готовой продукции.
На фиг. 1 приведено пространственное изображение сверхвысокочастотной установки со сферическим резонатором для термообработки сырья животного происхождения в непрерывном режиме (в разрезе):
1 - сферический экранирующий корпус; 2 - монтажный каркас; 3 - вал диэлектрический для привода резонатора; 4 - сферический дифракционный резонатор; 5 - диэлектрический пластинчатый сегмент (поверхность между параллелями сферической поверхности); 6 - СВЧ генератор; 7 - приемный патрубок; 8 - нагнетательный шнек; 9 - загрузочный патрубок; 10 - выгрузной патрубок; 11 - электродвигатель для привода резонатора.
На фиг. 2 приведено пространственное изображение сверхвысокочастотной установки со сферическим резонатором для термообработки сырья животного происхождения в непрерывном режиме:
1 - сферический экранирующий корпус; 2 - монтажный каркас; 3 - вал диэлектрический для привода резонатора; 4 - сферический перфорированный резонатор; 5 - диэлектрический пластинчатый сегмент (поверхность между параллелями); 6 - СВЧ генератор; 7 - приемный патрубок; 8 - нагнетательный шнек; 9 - загрузочный патрубок; 10 - выгрузной патрубок; 11 - электродвигатель для привода резонатора.
На фиг. 3 приведено пространственное изображение сферического дифракционного резонатора: 4 - сферический дифракционный резонатор; 5 - диэлектрический сегмент.
На фиг. 4 приведено пространственное изображение сферического дифракционного резонатора в разрезе.
На фиг. 5. приведено пространственное изображение общего вида установки без СВЧ генераторов.
Сверхвысокочастотная установка (фиг. 1, 2) со сферическим резонатором для термообработки сырья животного происхождения в непрерывном режиме содержит:
сферический экранирующий корпус 1; монтажный каркас 2; вал диэлектрический 3 для привода резонатора; сферический перфорированный (фиг. 3) резонатор или дифракционный (фиг. 4, 5) резонатор 4; диэлектрический пластинчатый сегмент 5; СВЧ генератор 6; приемный патрубок 7; нагнетательный шнек 8; загрузочный патрубок 9; выгрузной патрубок 10; электродвигатель для привода резонатора 11.
Установка состоит из сферического резонатора 4 в сферическом экранирующем корпусе 1 (фиг. 6), установленном на монтажный каркас 2. Вдоль вертикальной оси резонатора 4 проложен диэлектрический вал 3. Сферический экранирующий корпус 1 содержит с нижней стороны выгрузной патрубок 10, а в верхней части - приемный патрубок 7. Вращающийся сферический резонатор 4 в верхней части содержит пластинчатый диэлектрический сегмент шириной не более четверти длины волны. По вертикальной оси сферического резонатора 4 установлен диэлектрический вал 3, вращающийся от электродвигателя 11 через передаточные механизмы. Электродвигатель 11 расположен с наружной стороны экранирующего корпуса 1 на монтажном корпусе 2. Верхние части сферического экранирующего корпуса 1 и сферического резонатора 4, максимально приближены друг к другу и имеют соосные отверстия для закрепления приемного патрубка 7 к экранирующему корпусу 1 и для подачи сырья в сферический резонатор 4, диаметр которого согласован с длиной волны. С наружной стороны экранирующего корпуса 1 сверху установлены измельчитель с загрузочным патрубком 9 так, что нагнетательный шнек 8 состыкован с приемным патрубком 7, выполняющим функцию запредельного волновода. Вокруг приемного патрубка 7 равномерно по периметру с наружной стороны экранирующего корпуса 1 установлены сверхвысокочастотные генераторы 6. Причем излучатели от каждого СВЧ генератора 6 направлены через диэлектрические втулки, установленные в толщину экранирующего корпуса, внутрь сферического резонатора 4 в тех местах, где имеется диэлектрический пластинчатый сегмент 5. Сферический резонатор 4 может быть перфорированным (фиг. 3) или дифракционным (фиг. 4, 5). Резонатор назвали дифракционный, когда сферическая поверхность образована меридианами, расположенными через щель и выполненными из стержней из неферромагнитного материала. Размеры отверстий перфорации сферы и щели между меридианами согласованы с размерами частиц готовой продукции.
Технологический процесс термообработки сырья животного происхождения в непрерывном режиме происходит следующим образом.
Включить электродвигатель 11 для вращения сферического резонатора 4 и включить электродвигатель нагнетательного шнека 8. После чего из загрузочного патрубка 9 сырье попадает с помощью нагнетательного шнека 8 в приемный патрубок 7. Далее предварительно измельченное сырье в нагнетательном шнеке попадает в сферический резонатор 4. После этого следует включить сверхвысокочастотные генераторы 6 на определенные мощности. СВЧ генераторные блоки следует включать, если имеется сырье в резонаторе.
В связи с тем, что излучатели расположены над уровнем диэлектрической пластины 5, излучения будут направлены в сферический резонатор 4. Тогда сырье подвергается воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты, варится и в процессе вращения резонатора 4, ударяясь о его стенки, дополнительно измельчается. Размеры частиц сырья в процессе варки уменьшаются и просачиваются через щели, если дифракционный резонатор, а если перфорированный резонатор, то через отверстия. Сваренные частицы подвергаются завихрению из-за вращения резонатора, осаждаются и накапливаются на дне экранирующего корпуса 1, выводятся через выгрузной патрубок 10.
Мощность СВЧ генераторов и частота вращения сферического резонатора регулируются. Сырье в процессе воздействия ЭМПСВЧ подвергается термообработке, варится, обеззараживается и измельчается в виде крупы и проходит через перфорацию. За счет вращения резонатора сырье дополнительно измельчается и перемешивается, что и обеспечивает его равномерный нагрев. Режим термообработки сырья контролируется регулятором мощности СВЧ генератора, частотой вращения резонатора и объемом его загрузки. Производительность установки зависит от количества и мощности сверхвысокочастотных генераторов, электрофизических параметров сырья.
Сложный характер взаимодействия количества выделяющейся теплоты и глубины проникновения электромагнитных излучений приводит к необходимости подбора эффективного объема обрабатываемого сырья. Это необходимо, чтобы не наблюдалось перегрева его наружных (при больших значениях коэффициента поглощения) и внутренних слоев (при малых значениях коэффициента поглощения).
Микроволновая технология имеет ряд преимуществ перед традиционными методами термической обработки: это высокая скорость нагрева и его равномерность; сохранение витаминов в продукте; возможность мягкого режима термообработки; создание заданной температурной неравномерности путем подбора конфигурации резонаторов; возможность обеспечения радиогерметичности установки при непрерывном режиме работы применением экранирующего корпуса и запредельных волноводов; отсутствие контакта с теплоносителем и генерация тепла в самом сырье сводят к минимуму потери тепла на нагрев оборудования и во внешнюю среду; улучшение условий труда за счет сокращения выделения газообразных веществ, пара и тепла в окружающую среду. К преимуществам установки можно отнести также то, что при выходе из строя одного источника СВЧ энергии не следует останавливать весь технологический процесс.
Источники информации
1. Бредихин С.А. Технологическое оборудование мясокомбинатов / С.А. Бредихин. - М.: Колос, 2000. - С. 271.
2. Патент №2543156 РФ, МПК А21В 2/00. Сверхвысокочастотный активатор дрожжей / Д.В. Лукина, М.В. Белова, Г.В. Новикова, А.А. Белов, Н.К. Кириллов; заявитель и патентообладатель ЧГСХА (RU). - №2012100555; заявл. 10.01.2012 г., бюл. №6 от 20.07.2013. - с. 7.