Russian Federation
employee
Russian Federation
employee
Russian Federation
employee
Kazan, Kazan, Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The article is devoted to the development of a two-resonator ultra-high-frequency (UHF) installation for defrosting and warming up animal colostrum, which ensures electromagnetic safety during continuous operation. As well as the development and study of the parameters of a microwave installation, which allows defrosting and uniformly warming up colostrum of animals in the field of a standing wave in the electromagnetic field of a traveling wave. A microwave installation is described with working chambers arranged in tiers in the form of an annular and conical resonators, containing, respectively, dielectric containers and dielectric conical plates. The out-of-limit waveguide is calculated and the radiation of the electric field through the loading hole is considered in the absence of the out-of-limit waveguide at a distance from the ring resonator that is greater than the wavelength. For uniform defrosting of colostrum in plastic bottles, they should be moved in a ring resonator and the magnetrons should be positioned with a shift of 120 degrees around the perimeter. Then the resulting strength of the electric field consisting of several initial fields will be equal to the vector sum of their strengths. To achieve a high heating rate of raw materials in the region of positive temperatures, it is necessary to provide a condition for heating a thin layer of liquid with the help of coaxially located conical dielectric trays
defrosting of bovine colostrum, ring resonator with perforated base, continuous flow action
Введение. Замороженное молоко хранится до 12 мес. [1, 2], после этого его можно разморозить, нагреть до температуры 38…39 °С и выпаивать телят. Разработана СВЧ установка с кольцевым резонатором для размораживания и разогрева коровьего молозива в непрерывном режиме (патент № 2734618). К кольцевому резонатору пристыкованы магнетроны, приёмный резервуар для измельченного замороженного сырья и запредельный волновод с шаровым краном. Резонатор расположен вертикально и разделен диэлектрическими перфорированными пластинами на два отсека: для дефростации и разогрева молозива. Магнетроны размещены со сдвигом на 120° один по отношению к другому, по периметру кольцевого резонатора. Средняя длина кольца резонатора равна целому числу волн и разделена на равные промежутки между излучателями, каждый из которых по длине соответствует целому числу волн [3, 4, 5]. Различия в длительности процессов размораживания и разогрева молозива обусловлены тем, что изменение диэлектрических параметров в зависимости от агрегатного состояния и объема сырья не согласовано с глубиной проникновения волны. Для достижения высокой скорости нагрева сырья в области положительных температур необходимо предусмотреть условие нагрева тонкого слоя жидкости.
На основе анализа СВЧ-установок для дефростации и разогрева молозива животных разработана сверхвысокочастотная техника [6, 7, 8].
Цель исследований – разработка параметров сверхвысокочастотной установки, позволяющей размораживать молозиво животных в электромагнитном поле бегущей волны и равномерно разогревать его в поле стоячей волны.
Для ее достижения решали следующие задачи:
обосновать параметры запредельного волновода для подачи молозива, замороженного в пластиковых бутылках, в кольцевой резонатор и выгрузки пустых бутылок;
изготовить сверхвысокочастотную установку непрерывно-поточного действия, позволяющую размораживать и разогревать молозиво животных с учетом его агрегатного состояния и температуры фазового превращения в отдельных резонаторах;
исследовать изменение мощности потока излучения по высоте установки при расстоянии до точки замера 0,5 м, 1,0 м, 1,7 м и аналогичной высоте от пола.
Условия, материалы и методы. Результаты многочисленных исследований процесса дефростации и разогрева коровьего молозива свидетельствуют, что эти процессы должны осуществляться в двух отдельных резонаторах, обеспечивающих разные дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частот (ЭМП СВЧ). Один из них предназначен для дефростации от минус 15 °С до 0 °С, другой − для подогрева до 38…39 °С [9, 10]. Авторами разработаны и испытаны установки с разным конструкционным исполнением объемных резонаторов, позволяющих реализовать основные критерии проектирования СВЧ установки (непрерывность технологического процесса, высокая собственная добротность резонатора, высокая напряженность электрического поля и др.) [11, 12].
Созданная СВЧ установка (см. рисунок) содержит два ярусно расположенных резонатора. Первый из них имеет вид кольцевого резонатора с перфорированным основанием и диэлектрическими контейнерами, второй – конического резонатора с соосно расположенными диэлектрическими коническими тарелками. Магнетроны кольцевого резонатора размещены по его периметру на верхнем основании со сдвигом на 120° один относительно другого, конического резонатора – аналогичным образом по периметру его нижнего основания. Такое расположение магнетронов позволяет избежать передачи энергии из одного ввода в другой. А по принципу суперпозиции полей результирующая напряженности электрического поля, состоящего из нескольких исходных полей, равна векторной сумме их напряженностей [13].
Запредельный волновод для подачи замороженного сырья в пластиковых бутылках в кольцевой резонатор расположен на верхнем основании, для выгрузки пустых бутылок – прикреплен к его нижнему перфорированному основанию. Основание конического резонатора пристыковано к перфорированному основанию кольцевого резонатора, так, что жидкое молозиво стекает в него. Для достижения высокой скорости нагрева сырья в области положительных температур необходимо обеспечить условие нагрева тонкого слоя жидкости с помощью соосно расположенных конических диэлектрических тарелок. На вершине конического резонатора установлен шаровой кран для слива разогретого до 38…40 оС молозива. Рядом с шаровым краном расположена термопара для контроля температуры. Это возможно благодаря тому, что конические резонаторы ближе к вершине имеют критическое сечение, за которым ЭМП СВЧ отсутствует.
Для транспортирования замороженного сырья в кольцевом резонаторе установлены передвижные диэлектрические цилиндры с размерами пластиковых бутылок. Продолжительность воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (12,24 см, 2450 МГц) на сырье регулируется ступенчатым переключением частоты вращения вала мотора-редуктора МЭО-6,3/12,5-0,25 М 99У.14. При оценке распределения электрического поля за пределами установки использовали методики Г.Б. Белоцерковского, С.И. Баскакова, А.В. Нетушила, Ю.Н. Пчельникова, И.А. Рогова.
Уровень излучения в окружающее пространство контролировали прибором ПЗ-33М (до 18000 МГц, 615 В/м). Плотность потока энергии (мкВ/см2) около СВЧ установки измеряли на расстоянии от нее 0,5 м, 1,0 м, 1,7 м и на аналогичной высоте от пола.
Эффективность экранирования корпуса кольцевого резонатора определяли по методике А.В. Нетушила [14]:
(1)
где А = 18,8∙103 Ом/м3;
σ – удельная проводимость алюминия (36∙106 См/м);
∆ = 1,72∙10-5 м − толщина поверхностного слоя, м;
S – площадь поверхности кольцевого резонатора (1,4 м2);
d = 2∙10-3 м2.
Результаты и обсуждение. Технологический процесс дефростации и разогрева молозива животных в СВЧ установке происходит следующим образом. Включается электропривод для перемещения диэлектрических контейнеров в кольцевом резонаторе. Закрывается шаровой кран. Через запредельный волновод загружаются диэлектрические бутылки (вверх дном без крышек) с замороженным сырьем. Включаются магнетроны, излучатели которых направлены в кольцевой резонатор. В процессе перемещения диэлектрических контейнеров, загружаются очередные бутылки с замороженным сырьем. В кольцевом резонаторе возбуждается ЭМП бегущей волны, под действием которого замороженное сырье послойно размораживается в соответствии с глубиной проникновения электромагнитного поля и стекает через отверстия перфорации основания в конический резонатор. Затем включаются магнетроны, излучатели которых направлены в конический резонатор. Бутылки с сырьем перемещаются в кольцевом пространстве и опустошаются по мере дефростации замороженного сырья к концу полного оборота контейнеров, после чего выпадают за пределы кольцевого резонатора через отверстие в перфорированном основании.
Жидкое сырье накапливается в межтарельчатом пространстве конического резонатора, подвергается воздействию ЭМП СВЧ, разогревается до 38…40 оС и через шаровой кран дозированно сливается в приемный резервуар. В обоих резонаторах возбуждается электрическое поле высокой напряженности, достаточной для снижения бактериальной обсемененности продукта.
Уровень загрузки кольцевого резонатора зависит от диэлектрической проницаемости замороженного молозива, которая растет в процессе дефростации от минус 10 до 0 оС с 10 до 53. В коническом резонаторе в процессе разогрева от 0 до 40 оС, диэлектрическая проницаемость падает [13].
Результаты измерения мощности потока излучения около СВЧ установки при работе трех генераторов, расположенных на кольцевом резонаторе, в процессе дефростации коровьего молозива свидетельствуют о ее электромагнитной безопасности. При непрерывном круглосуточном воздействии ЭМП СВЧ предельно допустимый уровень (ПДУ) составляет 10 мкВт/см2 [15]. При 2 часовом воздействии ПДУ электромагнитного поля равен 100 мкВт/см2. Мощность потока СВЧ излучения на расстоянии 0,5…1,7 м от установки составляет 35,50…257,39 мкВт/см2. Поток излучения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. На расстоянии 1,7 м его уровень был ниже нормы.
Эффективность экранирующего корпуса кольцевого резонатора из алюминия, рассчитанная по формуле (1), достаточно высокая
( ) и составляет порядка 3,26 ∙104.
С целью предотвращения излучения через запредельный волновод был проведен расчет его диаметра и длины. Радиус запредельного волновода (R), в соответствии с диаметром пластиковых бутылок, равен 3…4 см. Погонное затухание на каждом сантиметре длины запредельного волновода Н11 с учетом ранее установленных величин [15] составит: L = 16/R = 16/(3…4) = (4…5,3) дБ/см [14]. При мощности СВЧ генератора 2,4 кВт, допустимая мощность вне запредельного волновода равна 2,4 мкВт, следовательно, на длине волновода l должно быть ослабление 2,4 кВт/2,4 мкВт = 106 раз. Исходя из этого длина запредельного волновода с учетом [15]: l = 60/L = 60/(4…5,33) = 11…15 см. В таком случае может быть обеспечен безопасный уровень излучения.
Если излучение электромагнитных волн идет из прямоугольного отверстия размерами 2a х 2b (при отсутствии запредельного волновода), то можно воспользоваться теоретическим подходом на основе формулы Кирхгофа, согласно которой решение скалярного уравнения в произвольной точке, находящейся внутри замкнутой поверхности S, выражается интегралом [16, 17]. Рассмотрим поле, существующее на расстоянии от кольцевого резонатора большем длины волны λ (12,24 см). Проанализируем относительно составляющей Еу вектора напряженности электрического поля в точке наблюдения Р:
(2)
где д/дz− производная по направлению внутренней нормали; r − длина отрезка между точкой наблюдения Р и переменной точкой интегрирования, м;
Проведем интегрирование по площади отверстия при условии, что Q – точка на отверстии с координатами x, y, z; Р – точка наблюдения с координатами ζ, η, ϛ. Тогда:
(3)
Обе производные, входящие в выражение, равны:
(4)
где Ео – напряженность электрического поля в кольцевом резонаторе,
ϑ – угол между нормалью к загрузочному отверстию и отрезком РQ.
(5)
Тогда
(6)
(7)
Из формулы (7) следует, что в точке наблюдения (Р) есть суперпозиция полей от бесконечно малых излучающих площадок. Если расстояние от центра загрузочного отверстия до точки наблюдения обозначим через ro, то:
(8)
где ϑ1 и ϑ2 − углы, образованные вектором ro и осями х и у соответственно.
Тогда:
(9)
Как видно из формулы (9), исследуемое электрическое поле представляет собой неоднородную сферическую волну с максимумом излучения вдоль оси системы. Угловые зависимости поля в обеих взаимно перпендикулярных плоскостях имеют лепестковую структуру. Они выражены тем сильнее, чем больше параметры прямоугольного загрузочного отверстия (βα и βb).
Это находит подтверждение при проведении расчетов по методике Г.Б. Белоцерковского [18]. Если считать, что пространство вокруг СВЧ установки – неограниченная однородная среда без потерь, а излучатель точечный и, следовательно, абсолютно ненаправленный (изотропный), то при мощности излучения Ризл. плотность потока мощности на расстоянии R от излучателя равна:
рплот. = Ризл. / 4π∙ R2. (10)
Тогда с учетом модуля вектора Умова-Пойнтинга рплотн. = Е2 /240 ∙π, напряженность электрического поля:
Е = (60 ∙Ризл. / R)0,5. (11)
В нашем случае Е = (60 ∙2400/ 1,7)0,5 = 290 В/м. Если напряженность электрического поля в кольцевом резонаторе достигает 600…1000 В/см, то на расстоянии R =1,7 м от резонатора она составит всего 2,9 В/см, или почти отсутствует.
Выводы. Для загрузки замороженного сырья в пластиковых бутылках, диаметром менее 8 см, необходимо установить на верхнем основании кольцевого резонатора запредельный волновод диаметром 8 см и длиной до 15 см. Это обеспечит безопасный уровень излучения менее 10 мкВт/см2 при круглосуточной работе с установкой. От кольцевого резонатора, мощностью 2400 Вт, через загрузочное прямоугольное отверстие, размером a x b распространяется электрическое поле в виде сферической волны. На расстоянии 1,7 м оно практически отсутствует.
1. Golovach TN, Kozich G, Asafov VA. [Native and fermented cow colostrum as a component of functional products]. Trudy Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: fiziologicheskie, biokhimicheskie i molekulyarnye osnovy funktsionirovaniya biosistem. 2014; Vol. 9. (2). 224-235 p.
2. Cummins C, Berry DP, Murphy JP. [The effect of colostrum storage conditions on dairy heifer calf serum immunoglobulin G concentration and preweaning health and growth rate]. Journal of Dairy Science. Vol. 100. (1). 2017; 525-535 p.
3. Novikova GV, Ziganshin BG, Mikhailova OV. [Study of the parameters of a two-resonator microwave installation for defrosting and heating cow colostrum]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; Vol. 16. 1 (61). 77-83 p.
4. Shamin EA, Ziganshin BG, Belova MV. [Development of an aerodynamic dryer for fur raw materials with ultrahigh-frequency energy supply]. Vestnik NGIEI. 2017; 10 (77). 64-71 p.
5. Zhdankin GV, Storchevoi VF, Ziganshin BG. [Development and justification of the parameters of a multi-tiered microwave installation for heat treatment of wet raw materials in a continuous mode]. Nauchnaya zhizn'. 2017; 4. 4-13 p.
6. Prosviryakova MV. Storchevoi VF, Novikova GV. [Analysis of microwave installations for defrosting and heating animal colostrum]. Vestnik NGIEI. 2021; 3 (118). 52-69 p.
7. Novikova GV, Ziganshin BG, Mikhailova OV. [Investigation of the parameters of a two-resonator microwave installation for defrosting and heating cow colostrum]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; Vol. 16. 1 (61). 77-83 p.
8. Belova MV, Ziganshin BG. [Increasing the efficiency of functioning of multimodular units for agroengineering technologies]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2013; Vol. 8. 3 (29). 49-52 p.
9. Novikova GV, Poruchikov DV, Vasil'ev AN. Patent № 2694944 RF, MPK A47J.39/00. Mikrovolnovaya ustanovka dlya razmorazhivaniya korov'ego moloziva. [Microwave installation for defrosting cow colostrum]. Zayavitel' i patentoobladatel' FGBNU “FNATs VIM” (RU). № 2018143727; zayavl. 11.12. 2018. Byul. № 20 ot 18.07.2019.
10. Novikova GV, Prosviryakova MV, Mikhailova OV. Patent № 2744423 RF, MPK A47J.39/00. SVCh ustanovka nepreryvno-potochnogo deistviya s konicheskimi rezonatorami dlya razmorazhivaniya i razogreva korov'ego moloziva. [Microwave installation of continuous flow action with conical resonators for defrosting and warming up cow colostrum]. Zayavitel' i patentoobladatel' NGIEU (RU). № 2020131230; zayavl. 10.09.2020. Byul. № 7 ot 09.03.2021.
11. Tikhonov AA, Osokin VL. [Working chambers of microwave installations for heat treatment of raw materials in a continuous mode in compliance with electromagnetic safety]. Materialy konferentsii “Peredovye dostizheniya v primenenii avtomatizatsii, robotizatsii i elektrotekhnologii v APK”. Moscow: RGAU-MSKhA. 2019; 111-119 p.
12. Novikova GV, Mikhailova OV, Zaitsev SP. [Development of microwave technology and installation for defrosting and warming up cow colostrum]. Vestnik Chuvashskoi sel'skokhozyaistvennoi akademii. 2020; 3 (14). 90-94 p.
13. Rogov IA. Elektrofizicheskie, opticheskie i akusticheskie kharakteristiki pishchevykh produktov. [Electrophysical, optical and acoustic characteristics of food products]. Moscow: Legkaya i pishchevaya promyshlennost'. 1981; 288 p.
14. Netushil AV. Vysokochastotnyi nagrev dielektrikov i poluprovodnikov. [High-frequency heating of dielectrics and semiconductors]. Moscow: Energoizdat. 1949; 400 p.
15. Pchel'nikov YuN. Elektronika sverkhvysokikh chastot. [Electronics of ultrahigh frequencies]. Moscow: Radio i svyaz'. 1981; 96 p.
16. Prosviryakova MV, Mikhailova OV, Shamin EA. Elektromagnitnye polya i mikrovolnovye tekhnologii: uchebnoe posobie. [Electromagnetic fields and microwave technologies: textbook]. Knyaginino: Nizhegorodskii gosudarstvennyi inzhenerno-ekonomicheskii universitet. 2020; 160 p.
17. Baskakov SI. Sbornik zadach po kursu “Elektrodinamika i rasprostranenie radiovoln”. [Collection of tasks for the course “Electrodynamics and radio wave propagation”]. Moscow: Vysshaya shkola. 1981; 208 p.
18. Belotserkovskii GB. [Fundamentals of radio engineering and antennas]. Osnovy radiotekhniki i antenny. Osnovy radiotekhniki. Moscow.: Sovetskoe radio. 1979; Ch.1. 368 p.
