УСТРОЙСТВО ЭКОНОМИЧНОГО И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ КОРМОВ И ПРОДУКТОВ ЖИВОТНОВОДСТВА И ПТИЦЕВОДСТВА
DEVICE OF ECONOMICAL AND ENERGY-SAVING DECONTAMINATION OF FEED AND PRODUCTS OF ANIMAL AND POULTRY HUSBANDRY

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к технологиям обеззараживания комбикормов для животных и птицы и продукции животноводства и птицеводства и может быть использовано в отраслях промышленного животноводства и птицеводства, при переработке готовой продукции и кормов, а также в птицеперерабатывающей отрасли сельского хозяйства.
Известно, что с помощью электронно-лучевой (ЭЛ) стерилизации можно обработать кусок мяса толщиной до 7,5 см. Главное различие между ЭЛ и гамма-стерилизацией: ЭЛ-стерилизация использует разогнанный с помощью линейного ускорителя пучок электронов, а гамма-стерилизация - гамма-частицы. Стерилизовать, уничтожать микроорганизмы можно с помощью высоких температур, специальных газов или проникающего излучения. Норма биологического загрязнения после радиационной стерилизации медицинских изделий составляет: один остаточный микроб на одно изделие из миллиона. После обеззараживания радиационным способом медицинские отходы могут быть вторично переработаны. Обрабатывая лекарственные травы в ЭЛ-установках, можно добиться очистки их от микробов. ЭЛ-стерилизация зерна позволяет увеличить сроки хранения за счет уничтожения вредителей и микробов (см.: zap-vk.do.am/index/zadanie_quot_ato…).
Определены оптимальные условия применения облучения ускоренными электронами поверхности скорлупы яиц с целью обеззараживания сальмонелл. Обработка поверхности скорлупы яиц ионизирующим излучением в дозе 5 кГр инактивирует сальмонеллы на поверхности скорлупы. При обработке яичного порошка ионизирующим облучением S.typhimurium погибает при дозе облучения кГр. Обработка яичного порошка на рентгеновском технологическом источнике в дозе 5 кГр уничтожает сальмонеллы (см.: Лищук, Андрей Петрович. Обеззараживание куриных яиц и яйцепродуктов (меланж, яичный порошок) от сальмонелл.
Дисс. … канд. вет. наук. - М.: 2002. - 177 с.; спец. ВАК 16.00.06, 16.00.03). dissercat.com/content/obezzaraz….
В процессе обработки объект облучается пучком электронов. В качестве источников ионизирующих излучений в радиационно-технологических установках могут быть использованы, например, разработанные в НПК ЛУЦ НИИЭФА линейные ускорители электронов моделей: УЭЛР-10-10С, УЭЛВ-10-10С, УЭЛВ-8-5С, УЭЛВ-3-2.5С, УЭЛР-3-1С. Ускорители снабжены устройствами для сканирования пучка электронов в полосу. Размер полосы сканирования определяется размерами облучаемых изделий. Толщина обрабатываемых изделий определяется энергией ускоренных электронов. Скорость и объемы обработки зависят от мощности пучка. Ускоритель УЭЛВ-10-10С - с ускоряющей структурой с бегущей волной, длина структуры 2,05 м. Отличительная особенность ускорителя - возможность плавной регулировки энергии электронов в диапазоне 5…10 МэВ за счет изменения нагрузки пучком при средней мощности в пучке 10…12 кВт. Ускоритель УЭЛР-10-10С - с ускоряющей структурой со стоячей волной. Отличительная особенность - компактность ускоряющей структуры, длина которой составляет 1,1 м. Энергия электронов может регулироваться в пределах 8…10 МэВ при средней мощности в пучке 9…10 кВт. На базе линейного ускорителя УЭЛВ-3-2.5 создана установка с индивидуальной радиационной защитой для стерилизации пучком электронов продуктов питания и почтовой корреспонденции. Стерилизуемые изделия помещаются в специальную кассету, которая устанавливается оператором в устройство перемещения, расположенное в камере облучения. Устройство позволяет осуществлять как одностороннее, так и двустороннее облучение изделия. Основные технические характеристики установки: энергия ускоренных электронов 3 МэВ; мощность пучка ускоренных электронов, выводимых через выходное окно, 2,5 кВт; потребляемая мощность электропитания 40 кВт; максимальная длина полосы сканирования 350 мм; скорость перемещения облучаемого объекта 0,3…1,5 м/мин (см.: corex-spb.ru/fabric.htm). E-mail: corexspb@gmail.com; astit@yandex.ru; http://www.corex-spb.ru).
Сравнение с существующими методами стерилизации (термическим, газовым, химическим) показывает, что только радиационные методы стерилизации и обеззараживания изделий обеспечивают эффективность уничтожения патогенной флоры. Вместе с тем, использование радиационных методов более технологично, экологически безопасно, экономически выгодно. Стоимость стерилизации 1 кг изделий составляет 0,34 цента против 1,2 в термическом, 1,5 в газовом и свыше 5 в химическом вариантах обеззараживания. В мире сейчас работает свыше 30 центров радиационной стерилизации медицинских изделий. Радиационная обработка продуктов питания также распространяется в мире. Использование радиационной обработки с целью удлинения сроков хранения обеспечивает устранение неизбежно больших количественных и качественных потерь при хранении продуктов растениеводства и животноводства. Эти потери обусловлены ферментативными процессами деятельностью микрофлоры и вредоносными насекомыми. Так, при хранении картофеля, обработанного малыми дозами ионизирующего излучения, потери резко снижаются (с 25% до 3…5%). Срок хранения копчено-вареной корейки, грудинки и полукопченой колбасы, облученных малыми дозами и упакованных в полимерную пленку под вакуумом, увеличивается в три раза. Аналогичные результаты получены для рыбных продуктов. Эффективно решаются также вопросы стерилизации продукции птицеводства - надежное уничтожение сальмонеллы в яичном порошке, мясе птицы и субпродуктах. Радиационная обработка семян сельскохозяйственных культур достаточно широко распространена. Предпосевное облучение семян с целью стимулирования всхожести (зерновые и зернобобовые, картофель, морковь, капуста и др.) в целях повышения их урожая и улучшения качества продукции - испытанный на практике процесс. В урожае от стимулированных семян, как правило, увеличивается на 1…13% содержание того компонента, к выработке которого данная культура была эволюционно направлена. Так, при облучении семян моркови в урожае увеличивается содержание каротина в среднем на 10%, в отдельных сортах на 30…32%; у сахарной свеклы содержание сахара (на 3%), у клубней картофеля крахмала (1…2%). Подобные работы широко проводились в Канаде, США, Франции, Аргентине, а также в ряде сельскохозяйственных радиационных технологий и основные направления работ по их модернизации определяются разработчиками. Например, УЭЛР-10-10С является базовым ускорителем третьего поколения для радиационно-технологических процессов и, в первую очередь, для радиационной стерилизации. В соответствии со стандартами, принятыми в Европе и мире, разработана система сканирования и вывода пучка электронов, позволяющая непрерывно в процессе стерилизации продукции контролировать основные параметры пучка: энергию электронов, средний ток пучка, размер поля облучения. Во всех ускорителях фирмы «Корекс» применяется компьютерная система управления, основанная на микроконтроллере Octagon Systems 6020 и панельном компьютере фирмы Advantech. Система управления усовершенствуется по мере модернизации ускорителей и модифицируется в соответствии с пожеланиями заказчиков. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию систем оперативной перестройки энергии электронов. Проектируются ускорители S-диапазона длин волн на мощность в пучке ускоренных электронов до 25…30 кВт. Ведутся работы по увеличению диаметра пучка на выходном окне сканирующего устройства (см.: corex-spb.ru/fabric.htm).
Известны способ и устройство экономичной транспортировки птичьих яиц магистральным транспортером птицефабрики, в результате использования которых устанавливается такое значение скорости движения ленты транспортера, при котором обеспечивается наименьшая на данный момент времени сумма затрат от расчетной потери стоимости поврежденных при транспортировке яиц и на электроэнергию для электропривода транспортера (см. патент РФ 2414396. Способ и устройство экономичной транспортировки птичьих яиц магистральным транспортером птицефабрики / А.В.Дубровин и др. // БИ, 2011, №8).
Недостатками известного технического решения является невозможность его прямого использования при энергосберегающем обеззараживании кормов и продуктов животноводства и птицеводства.
Задачей изобретения является повышение точности при автоматизированном поиске и достижении экономически оптимального и энергетически рационального режима обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства пучками быстрых электронов при транспортировке кормов и продуктов животноводства и птицеводства посредством ленточного или планчатого магистрального транспортера путем определения экономического минимума суммы стоимостей потерь обеззараживаемой продукции и эксплуатационных энергетических затрат на облучение и на транспортировку кормов и продуктов животноводства и птицеводства. Другой задачей изобретения является энергосбережение при обеззараживании кормов и продуктов животноводства и птицеводства. Также задачей изобретения является повышение точности обеззараживания веществ с заранее установленной для них наибольшей дозой облучения, гарантированно обеспечивающей заданное качество обеззараживания.
В результате использования изобретения устанавливается такое значение облученности кормов и продуктов животноводства и птицеводства пучками быстрых электронов, при котором обеспечивается наименьшая на данный момент времени сумма затрат от расчетной потери стоимости обеззараживаемой продукции и эксплуатационных энергетических затрат на облучение и на транспортировку кормов и продуктов животноводства и птицеводства. Также в результате использования изобретения при поступлении в зону обеззараживания объектов сельскохозяйственного производства устанавливаются такие количественные значения доз облучения, которые обеспечивают энергосбережение и повышение точности обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства.
Вышеуказанный технический результат достигается способом экономичного и энергосберегающего обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства, включающим в себя применение ускорителя электронов для обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства, ориентацию выходного направляющего раструба ускорителя на зону облучения в виде участка рабочего органа магистрального транспортера с электроприводом, загрузку магистрального транспортера обеззараживаемыми кормами и продуктами, задание и регулирование скорости движения рабочего органа магистрального транспортера, задание срока хранения и дозы облучения для обеззараживания кормов и продуктов, регулирование режима облучения в соответствии с заданной дозой облучения, при этом формируют сигнал облученности, периодически изменяют сформированный сигнал облученности в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим заданными значениями сигнала облученности, причем в зависимости от значения изменяемого сформированного сигнала облученности вычисляют сумму затрат на расчетные потери стоимости обеззараживаемой продукции от ее бактериологической и микробной зараженности, от потери ее качества из-за ее чрезмерного облучения, на электроэнергию для облучения и на электроэнергию для электропривода магистрального транспортера, сравнивают соответствующий наименьшему значению указанной суммы затрат сформированный сигнал облученности с измеренным сигналом облученности и по результату сравнения дополнительно корректируют режим облучения кормов и продуктов животноводства и птицеводства.
Технический результат достигается также тем, что устройство содержит последовательное соединение задатчика наибольшего срока хранения обеззараживаемых кормов и продуктов, задатчика максимальной дозы облучения и задатчика максимальной облученности, датчик скорости движения рабочего органа магистрального транспортера, датчик массы обеззараживаемых кормов и продуктов, датчик облученности, выход которого подключен к инвертирующему входу регулятора облученности, последовательное соединение регулятора облученности, блока регулирования напряжения электропитания ускоряющей системы ускорителя электронов и ускорителя электронов с выходным рупором, направленным на зону облучения, при этом в устройство введены задатчик значений искусственного сигнала облученности в технологическом диапазоне изменения облученности от нуля до ее предельного значения при каждом конкретном значении скорости движения рабочего органа магистрального транспортера, блок задатчиков констант и коэффициентов математических моделей управления режимом облученности обеззараживаемых кормов и продуктов, блок вычисления целевой функции суммарных затрат, блок определения наименьшего значения целевой функции суммарных затрат, причем выходы задатчика максимальной облученности, датчика скорости движения рабочего органа магистрального транспортера, датчика массы обеззараживаемых кормов и продуктов, задатчика значений искусственного сигнала облученности и блока задатчиков констант и коэффициентов соединены с соответствующими входами блока вычисления целевой функции суммарных затрат, выход которого через блок определения наименьшего значения целевой функции суммарных затрат подключен к неинвертирующему входу регулятора облученности.
Способ осуществляется следующим образом. Задают срок хранения и соответствующую требуемую для данного обеззараживаемого продукта дозу облучения, значение которой было установлено заранее при испытаниях по обеззараживанию опытных партий продуктов.
<mrow><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Э</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>М</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>а</mi><msub><mi>Э</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>я</mi><mi>щ</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>т</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>ы</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                             </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
зад
зад
прод
ящ
тары
ящ
тары
2
2
2
где Д - заданная доза облучения продукта, Грей или (м/с); Э - поглощенная продуктом энергия излучения и электронов, Дж; М=((Р-Р)/а, кг; а - ускорение свободного падения; а=9,8 м/с; Р - вес ящика (тары) вместе с продуктом, кгс; Р - вес только тары (ящика) без продукта, кгс.
Заданная энергия поглощенного излучения пропорциональна массе продукта:
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><msub><mi>М</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>                                                                                   </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Энергия поглощенного излучения всегда пропорциональна массе продукта:
<mrow><msup><mi>Э</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Д</mi><msub><mi>М</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                                                       </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Энергия излучения ускорителя, Вт×с:
<mrow><msub><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow></msub><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>л</mi><mi>у</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                                      </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
изл
облуч
облуч
тр
тр
где Р - мощность излучения, Вт, Т - время облучения продукта в активной зоне части транспортера, Т=(L/V), с; L - длина зоны облучения, м; У - скорость движения рабочего органа транспортера, м/с.
2
Удельная энергия излучения ускорителя по площади облученного участка рабочего органа транспортера, Вт×с/м:
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>л</mi><mi>у</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                                                                       </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
погл
погл
Для любой конкретной конструкции установки для обеззараживания, ускорителя, в т.ч. и его выходного рупора, существует численная связь между
и Э для каждого продукта: чем больше
, тем больше Э. Численный коэффициент (или в общем случае функция) этой пропорциональной (линейной или нелинейной) зависимости для каждой конструкции ускорителя известен, причем для каждого вида, размеров, формы и объема обеззараживаемого продукта и расстояния от выхода рупора до продукта, т.е.
<mrow><msup><mi>Э</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msup><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>к</mi><mi>ц</mi><mi>и</mi><mi>я</mi><mtext> ускорителя; расстояние от излучателя до продукта;</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>вид</mtext><mtext>, размеры</mtext><mtext>, форма</mtext><mtext>, объем продукта</mtext></mtd></mtr></mtable><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>т</mi><mo>×</mo><mi>с</mi><mo>/</mo><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi><mtext> зад</mtext></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
Величина
от массы продукта не зависит, а зависит только от конструкционных и электрических характеристик и параметров установки для обеззараживания. Но для обеспечения возрастающего заданного значения
и значение
должно возрастать в определенной линейной или нелинейной зависимости, т.е.
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi><mtext> зад</mtext></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>Э</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msup><mo>/</mo><msub><mi>К</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>Э</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
2
2
Понятно, что размерность коэффициента K есть м, а для K это (1/м).
А вот заданное значение удельной энергии излучения ускорителя по площади облучения участка рабочего органа транспортера при задании дозы облучения конкретного материала от массы материала уже зависит:
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi><mtext> зад</mtext></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>Э</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msup><mo>/</mo><msub><mi>К</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>Э</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msup><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><msub><mi>М</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                            </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
прод
зад
2
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi><mtext> зад</mtext></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
Если имеется продукт с известной массой М, который надо подвергнуть облучению для обеззараживания, и если известно значение дозы облучения Д для этого, то для конкретной установки обеззараживания с известным ее конструкционно-энергетическим коэффициентом К легко вычислить требуемое значение облученности
.
е
е
Известно, что «в большинстве современных ускорителей применяется принцип высоковольтного ускорения, т.е. энергия электронов соответствует напряжению, создаваемому выпрямителем [источника питания ускорителя электронов]» (см. «Ускорители электронов серии ИЛУ [импульсные линейные ускорители]». Новосибирск: Институт ядерной физики СО РАН, 1998. Сайт: inp.nsk.su> ~ tararysh/accel/ilu_r.html). Пропорциональную зависимость между энергией пучка ускоренных электронов и напряжением питания подтверждает, в числе многих, следующая информация. «Источник высокого напряжения (ИВН), собранный по схеме с тиристорным инвертором, преобразует напряжение трехфазной сети 380В в постоянное напряжение до 25 кВ. Для контроля электрических измерений было выполнено измерение эффективной энергии электронов Е по дозиметрической методике и получено хорошее совпадение Е=486 кэВ с измеренным напряжением на вакуумном диоде U=452 кВ в этом режиме. Отметим, что параметры ускорителя в одном из режимов измерялись в компании «Chiyoda Technol Corporation» (Токио, Япония), с использованием фирменных детекторов и методики, основанной на построении кривой ослабления в материале детектора фирмы «GEX Corporation». По данным измерений, эффективная энергия спектра составляла 441 кэВ, в то время как по результатам электрических измерений ускоряющее напряжение составляло 430 кВ в этом же режиме (см.: «Частотный наносекундный ускоритель электронов для инициирования …». Сайт: main.isuct.ru>files/kona/ISTAPC2005/proc/6-7.
2
2
пит
Поскольку любой облучатель имеет свою сквозную характеристику зависимости формируемой им величины удельной по облучаемой площади энергии излучения, Вт×с/м, и облученности, Вт/м, от электрического напряжения питания U разгонного участка ускорителя (электрического поля в разгонном участке для электронов), т.е.
<mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                                                            </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и наоборот:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>г</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>К</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>4</mn></msub><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>К</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><msub><mi>М</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                 </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
то так же просто определяется требуемое значение электрического напряжения питания для управления режимом работы ускорителя по величине удельной энергии излучения.
Переход к управлению облученностью площади активной зоны участка транспортера по мощности излучения на единице этой площади позволяет получить:
<mrow><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>5</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                                                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
и наоборот:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>К</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mn>6</mn></msub><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>К</mi><mn>6</mn></msub><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>л</mi><mi>у</mi><mi>ч</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>К</mi><mn>6</mn></msub><msubsup><mi>Э</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><msub><mi>V</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>К</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>Д</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>д</mi></mrow></msub><msub><mi>М</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub><msub><mi>V</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>11</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
т.е. так же просто определяется требуемое значение напряжения питания для управления режимом работы ускорителя по величине удельной мощности излучения.
зад
прод
6
пит
пит
6
тр
зад
прод
Следовательно, для обеспечения заданного по дозе Д режима обеззараживания продукта с массой М надо пропорционально значению коэффициента К увеличивать напряжение питания ускорителя U с ростом скорости перемещения продукта в активной зоне длиной L. Чем короче активная зона, т.е. чем меньше L, тем больше должно быть напряжение питания разгонного участка ускорителя U. Таким образом, при определенной конструкции ускорителя и установки для обеззараживания в целом, значения К, V, L неизменны. Меняются только свойства обеззараживаемых материалов, учитываемые посредством задаваемого оператором вручную значения срока хранения и заданной дозы облучения Д и автоматически измеряемой с помощью, например, поточного измерителя массы продукта М.
В этом заключается новый способ экономичного и энергосберегающего обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства. При подаче продуктов на установку для обеззараживания надо не только знать требуемые для них дозы облучения и их массы, определять необходимое напряжение питания ускорителя, в зависимости от массы продукта корректировать режим облучения каждого продукта при поступлении его в зону облучения. В соответствии со способом следует искусственно сформировать по величине аргумента облученности функциональные зависимости затрат от потерь продуктов из-за их зараженности в отсутствие облученности или при ее малых уровнях. Также необходимо знать зависимости затрат от потерь кормов и продуктов из-за чрезмерно сильного облучения их пучками быстрых электронов, которые взаимодействуют с клеточной структурой биомассы кормов и продуктов животноводства и птицеводства.
Первая из этих зависимостей нелинейно убывает с ростом облученности, начинаясь с определенного (заранее известного по результатам измерений санитарно-гигиенических свойств материалов, поступающих на радиационную стерилизационную обработку) уровня зараженности биоматериала. Вторая зависимость нелинейно возрастает, начинаясь с минимального значения порога облученности, достаточного для появления первых необратимых изменений в биологических продуктах растительного и животного происхождения. Допустимый уровень затрат на потери продукции из-за таких изменений ее определяется в конкретных опытных работах.
Следует также сформировать аналогичные зависимости затрат на электроэнергию для транспортировки продуктов и для их облучения от величины облученности. Третья зависимость есть постоянная величина при постоянной скорости движения рабочего органа транспортера и при неизменной массе продуктов, изменяющаяся по значению пропорционально скорости движения рабочего органа транспортера и массе продуктов. Четвертая зависимость линейно возрастает с ростом облученности.
Затем полученные четыре функции затрат сложить в диапазоне изменения искусственно сформированного сигнала облученности. Таким образом, производится точное, экономичное, т.е. точное и экономически оптимальное (точное и экономически наилучшее) и при этом энергосберегающее (с рациональным расходованием энергии) обеззараживание каждого продукта с его массой.
тран
прод1
прод1
облуч1
тран1
ост1
обл
тран
допуст1
Σ1
прод1
облуч1
тран1
Σмин1
Σ1
обл
<mrow><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>л</mi><mtext> 1</mtext></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>л</mi><mtext> 1</mtext></mrow><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup></mrow>
2
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, фиг.2 и фиг.3. На фиг.1 приведена иллюстрация осуществления способа экономичного и энергосберегающего обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства: З - затраты при обеззараживании продукта, руб./ед. времени; V - скорость движения рабочего органа магистрального транспортера, м/с; М - масса обеззараживаемого продукта, кг; З - стоимость потерь продукта, руб./ед. времени; З - затраты на облучение; З - затраты на транспортировку продукта в зоне обеззараживания (облучения); З - стоимость потерь продукта из-за его изменений в результате переоблучения, руб./ед. времени;
- предельное значения облученности Р при конкретном значении скорости движения рабочего органа магистрального транспортера V; З - стоимость допустимых потерь продукта из-за его изменений в результате переоблучения, руб./ед. времени; З=З+З+З - целевая функция суммарных затрат, руб./ед. времени; З - наименьшее значение целевой функции суммарных затрат З, руб./ед. времени;
- экономически оптимальное (наилучшее) значение облученности Р, Вт/м.
прод1
прод2
прод1
прод2
На фиг.2 приведена иллюстрация осуществления способа экономичного обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства для сравнения режимов обеззараживания двух продуктов с различными значениями их массы М и М, причем М>М, кг.
тран
прод
обл
обл
обл
обл
тран
Σ
прод
облуч
тран
<mrow><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Р</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>З</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
На фиг.3 приведена функциональная схема устройства энергосберегающего обеззараживания кормов и продуктов животноводства и птицеводства: 1 - задатчик наибольшего срока хранения обеззараживаемых кормов и продуктов; 2 - задатчик максимальной дозы облучения; 3 - задатчик максимальной облученности; 4 - датчик скорости движения рабочего органа магистрального транспортера V; 5 - датчик массы обеззараживаемых кормов и продуктов М; 6 - датчик облученности Р, размещенный в зоне обеззараживания (облучения); 7 - регулятор облученности Р; 8 - блок регулирования напряжения электропитания ускоряющей системы ускорителя электронов; 9 - ускоритель электронов с выходным рупором, направленным на зону обеззараживания (облучения); 10 - задатчик значений искусственного сигнала облученности Р в технологическом диапазоне изменения облученности Р от нуля до ее предельного значения
(предельного значения
при конкретном значении скорости движения рабочего органа магистрального транспортера V: чем больше скорость, тем больше требуется и допускается предельное значение облученности); 11 - блок задатчиков констант и коэффициентов математических моделей управления режимом облученности обеззараживаемых кормов и продуктов с массой Мпрод; 12 - блок вычисления целевой функции суммарных затрат З=З+З+З; 13 - блок определения экстремального (оптимального, наименьшего) значения целевой функции суммарных затрат
.
Устройство содержит последовательное соединение задатчика наибольшего срока хранения обеззараживаемых кормов и продуктов 1, задатчика максимальной дозы облучения 2 и задатчика максимальной облученности 3, датчик скорости движения рабочего органа магистрального транспортера 4, датчик массы обеззараживаемых кормов и продуктов 5, датчик облученности 6, выход которого подключен к инвертирующему входу регулятора облученности 7, последовательное соединение регулятора облученности 7, блока регулирования напряжения электропитания 8 ускоряющей системы ускорителя электронов и ускорителя электронов с выходным рупором 9, направленным на зону облучения, при этом в устройство введены задатчик значений искусственного сигнала облученности 10 в технологическом диапазоне изменения облученности от нуля до ее предельного значения при каждом конкретном значении скорости движения рабочего органа магистрального транспортера, блок задатчиков констант и коэффициентов 11 математических моделей управления режимом облученности обеззараживаемых кормов и продуктов, блок вычисления целевой функции суммарных затрат 12, блок определения наименьшего значения целевой функции суммарных затрат 13, причем выходы задатчика максимальной облученности 3, датчика скорости движения рабочего органа магистрального транспортера 4, датчика массы обеззараживаемых кормов и продуктов 5, задатчика значений искусственного сигнала облученности 10 и блока задатчиков констант и коэффициентов 11 соединены с соответствующими входами блока вычисления целевой функции суммарных затрат 12, выход которого через блок определения наименьшего значения целевой функции суммарных затрат 13 подключен к неинвертирующему входу регулятора облученности 7.
Устройство (фиг.3) работает следующим образом. Обеззараживаемый материал в виде, например, упаковок с кормом или с мясом бройлеров загружается на магистральный транспортер, который располагается в помещении, устроенном по нормам радиационной защиты, для радиационного обеззараживания продуктов пучками ускоренных электронов, и частично вне этого помещения. В любом случае, ручная загрузка транспортера продуктами при работающем ускорителе электронов целесообразна в другом помещении (например, в соседнем). Это достигается либо удлинением магистрального транспортера, либо установкой добавочного промежуточного транспортера в линию обеззараживания. Блок вычисления целевой функции суммарных затрат 12 по данным заданий, формирования и измерения соответствующих сигналов рассчитывает целевую функцию суммарных затрат на обеззараживание кормов и продуктов животноводства и птицеводства. Блок определения наименьшего значения целевой функции суммарных затрат 13 по существу является оптимизатором, устанавливающим экономически оптимальное значение облученности, соответствующее минимуму этой функции. Это значение в виде выходного сигнала блока 13 подается на задающий вход регулятора облученности 7, что корректирует (поправляет) установленный ранее режим ускорения электронов в блоке регулирования напряжения электропитания 8 ускоряющей системы ускорителя электронов и ускорителя электронов с выходным рупором 9. Процесс обеззараживания проходит экономично, с экономически наименьшими затратами и с рациональными затратами энергии.
Таким образом, обеспечивается экономически оптимальное и энергосберегающее автоматизированное управление обеззараживанием кормов и продуктов животноводства и птицеводства. При этом обеспечивается точное обеззараживание продуктов с различной массой, поскольку производится контроль их массы и соответствующее регулирование режима облучения данного продукта. Обеззараживание пучками ускоренных электронов мяса бройлеров, искусственно обсемененного сальмонеллами и листериями, увеличивает срок его хранения с 4…7 суток до 23 суток без изменения органолептических показателей.
Полная автоматизация процесса энергосберегающего обеззараживания полностью исключает необходимость присутствия в помещении с ускорителем электронов обслуживающего персонала при непрерывной многочасовой работе технологической линии по экономичному и энергосберегающему обеззараживанию кормов и продуктов животноводства и птицеводства.