Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние научной проблемы, цель и задачи исследований
1.1 Аналитический обзор ресурсов и объемов перерабатываемого сырья
1.2 Анализ электрофизических и теплофизических свойств зерна 14
1.3 Анализ технологий и технических средств для повышения кормовой ценности фуражного зерна воздействием электрофизических факторов
1.4 Выводы по разделу, цель и задачи исследований 40
2 Теоретические исследования процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно с использованием энергии электромагнитных излучений
2.1 Исследование и обоснование технологических параметров процесса
2.1.1. Методика и структурная схема исследований процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно
2.1.2 Исследование динамики эндогенного нагрева зерна при изменении электрофизических параметров
2.1.3 Обоснование критической напряженности электрического поля сверхвысокой частоты
2.2 Модели распределения электрического поля в объемных резонаторах с сырьем
2.2.1 Элементы теории электродинамики движущегося сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты
2.2.2 Исследование картины распределения электромагнитного поля в объемных резонаторах СВЧ установок
2.3 Термомеханическое воздействие на фуражное зерно в цилиндрических дифракционных резонаторах
2.3.1 СВЧ энтолейтор с дифракционными цилиндрическими резонаторами
2.3.1.1 Технологический процесс термомеханического воздействия на фуражное зерно в СВЧ энтолейторе
2.3.1.2 Теоретическое обоснование электрических параметров СВЧ энтолейтора
2.3.1.3 Определение добротности дифракционного резонатора и производительности СВЧ энтолейтора
2.3.1.4 Анализ радиогерметичности сверхвысокочастотной установки с дифракционными резонаторами
2.3.1.5 Исследование плотности распределения зерна в рабочей камере СВЧ энтолейтора
2.3.2 Термообработка зерна в электромагнитном поле
сверхвысокой частоты в процессе измельчения
2.3.2.1 Технологический процесс термомеханического воздействия на фуражное зерно в СВЧ дезинтеграторе
2.3.2.2 Технологический процесс термомеханического воздействия на фуражное зерно в СВЧ дисмембраторе
2.4 Термомеханическое воздействие на зерно в тороидальных 130
дифракционных резонаторах
2.4.1 Элементы теории тороидального резонатора 130
2.4.2 Технологический процесс термообработки и шелушения зерна во вращающихся тороидальных резонаторах
2.4.3 Термообработка зерна в тороидальном резонаторе с передвижными источниками излучений
2.4.4 Термообработка зерна в радиоволновых установках с тороидальным резонатором
2.5 Технологический процесс термообработки зерна в сферических 148
резонаторах СВЧ установок
2.5.1 Термомеханическое воздействие на фуражное зерно в 148 резонаторе, образованном между двумя сферами
2.5.2 Термомеханическое воздействие на фуражное зерно в 152 передвижных сферических резонаторах
2.6 Технологические процессы комплексного воздействия электрофизических факторов на фуражное зерно
2.6.1 Термообработка зерна воздействием диэлектрического и индукционного нагрева в установке барабанного типа
2.6.2 Термообработка зерна воздействием диэлектрического и индукционного нагрева в установке транспортерного типа
2.7 Выводы по разделу 170
3 Методические аспекты исследования и разработанные свч установки для термомеханического воздействия на фуражное зерно
3.1 Общий план исследований и контрольно-измерительная аппаратура
3.2 Методика определения физико-механических свойств зерна в условиях сдвигового нагружения
3.3 Установки термомеханического воздействия на фуражное зерно с источниками электромагнитных излучений
3.3.1 Сверхвысокочастотный энтолейтор для термомеханического воздействия на фуражное зерно
3.3.2 Установка для термообработки зерна барабанного типа со сверхвысокочастотным генератором и индукционным нагревателем
3.3.3 СВЧ-индукционная установка транспортерного типа для термообработки зерна
3.3.4 Сверхвысокочастотная установка для измельчения и обеззараживания зерна
3.3.5 Сверхвысокочастотная установка с дифракционными тороидальными резонаторами для термообработки зерна в процессе шелушения
3.3.6 Сверхвысокочастотная установка с передвижными сферическими резонаторами для термообработки фуражного зерна в процессе дробления
3.3.7 Сверхвысокочастотная установка для термомеханического воздействия на фуражное зерно с резонатором, образованным между двумя сферами
3.3.8 Сверхвысокочастотная установка с тороидальным дифракционным резонатором и с движущимися источниками излучений для термообработки зерна
3.3.9 Радиоволновые установки с тороидальным резонатором для 204
обеззараживания фуражного зерна
3.4 Выводы по разделу 207
4 Экспериментальные исследования процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно
4.1 Экспериментальные исследования процесса термомеханического 210
воздействия на фуражное зерно в сверхвысокочастотном
энтолейторе
4.1.1 Динамика нагрева фуражного зерна в сверхвысокочастотном энтолейторе
4.1.2 Результаты исследования химического состава фуражного зерна после термомеханического воздействия
4.1.3 Результаты исследований влияния термомеханического воздействия на физико-механические свойства фуражного зерна
4.1.4 Матрица планирования и обоснование критериев оптимизации режимов работы СВЧ установки
4.1.5 Исследование влияния частоты вращения диска рабочей камеры сверхвысокочастотного энтолейтора на технологический процесс
4.1.6 Снижение антипитательного вещества в соевых бобах при термомеханическом воздействии в СВЧ энтолейторе
4.2 Исследование параметров СВЧ-индукционной установки для термообработки фуражного зерна
4. 3 Исследование мощности потока излучения вблизи сверхвысокочастотных установок
4.3.1 Исследование мощности потока СВЧ излучения вблизи СВЧ энтолейтора
4.3.2 Исследование мощности потока СВЧ излучения вблизи СВЧ-индукционной установки
4.4 Выводы по разделу 260
5 Экономическая эффективность внедрения в производство СВЧ установок для термомеханического воздействия на фуражное зерно
5.1 Технико-экономическая оценка внедрения СВЧ энтолейтора 263
5.2 Технико-экономическая оценка внедрения СВЧ-индукционной 274 установки для термообработки фуражного зерна
5.3 Меры безопасности при эксплуатации СВЧ установок и 281 рекомендации производству
5.4 Предложения по совершенствованию СВЧ технологии в 285 сельском хозяйстве
5.5 Выводы по разделу 286
Заключение 287
Список литературы
- Анализ технологий и технических средств для повышения кормовой ценности фуражного зерна воздействием электрофизических факторов
- Исследование картины распределения электромагнитного поля в объемных резонаторах СВЧ установок
- Сверхвысокочастотный энтолейтор для термомеханического воздействия на фуражное зерно
- Результаты исследования химического состава фуражного зерна после термомеханического воздействия
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Для повышения кормовой ценности фуражного зерна применяют тепловую обработку. Наилучшие показатели декс-тринизации крахмала получили при обработке зерна инфракрасным (ИК) излучением, но при высоких энергетических затратах. Многими авторами доказана эффективность сверхвысокочастотного (СВЧ) нагрева зерна, реализованного в серийных образцах установок, работающих в периодическом режиме. Такие установки, изготовленные с использованием одного или нескольких источников энергии мощностью 25…50 кВт, требуют водяного охлаждения и специальных средств защиты магнетронов от отраженной мощности; в них сложно обеспечить равномерность нагрева сырья; при выходе из строя одного источника следует остановить весь технологический процесс. В связи с этим нами выбрана концепция проектирования СВЧ установок, снабженных маломощными источниками энергии (0,8…1,2 кВт), с воздушным охлаждением и не требующих защиты от отраженной мощности, обеспечивающих равномерность нагрева зерна за счет конструкционных приемов при разработке резонаторов, заполненных малыми объемами зерна. Поэтому создание достаточно эффективных технологий и соответствующих СВЧ установок для повышения кормовой ценности фуражного зерна, актуально.
Нами предлагается обеспечить термомеханическое воздействие на фуражное зерно в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) для повышения кормовой ценности при сниженных эксплуатационных затратах. Для реализации такой технологии разработаны установки с СВЧ энергоподводом, выполняющие функцию термомеханического разрушения фуражного зерна.
Степень разработанности темы. Технологии и технические средства термообработки зерна исследованы такими авторами, как: В.А. Афанасьев, И.Ф. Бородин, П.В. Брагинцев, А.Н. Васильев, С.В. Зверев, С.Г. Ильясов, Н.П. Мишуров, В.И. Пахомов, А.М. Шувалов и др. Ими изучался процесс мик-ронизации зерна воздействием ИК излучений и ЭМПСВЧ в периодическом режиме, в замкнутом объеме резонатора с мощными источниками излучений. Однако, задача повышения кормовой ценности фуражного зерна (соевых бобов) воздействием физических факторов в непрерывном режиме, в сочетании с механическим разрушением, при использовании маломощных магнетронов, остается нерешенной.
Научная проблема – совершенствование научных принципов разработки СВЧ установок для термомеханического воздействия на фуражное зерно.
Цель работы – повышение эффективности функционирования сверхвысокочастотных установок, обеспечивающих улучшение кормовой ценности фуражного зерна путем термомеханического воздействия.
Задачи исследований:
-
Разработать технологии термомеханического воздействия на фуражное зерно для повышения кормовой ценности и новые конструкционно-технологические схемы СВЧ установок для непрерывного режима работы.
-
Разработать математические модели процесса функционирования СВЧ установок для термомеханического воздействия на фуражное зерно с передвижными дифракционными резонаторами разной конфигурации с рациональными конструкционно-технологическими параметрами.
-
Выявить аналитические зависимости для обоснования параметров электродинамической системы СВЧ установок с дифракционными резонаторами, обеспечивающими эффективный процесс термомеханического воздействия на фуражное зерно.
-
Разработать методологию проектирования СВЧ установок, базирующуюся на выведенных аналитических зависимостях, учитывающих особенности резонаторов, и математических моделях динамики эндогенного нагрева зерна при изменении электрофизических параметров в процессе термомеханического воздействия.
-
Исследовать распределение электрического поля сверхвысокой частоты в дифракционных цилиндрических и тороидальных резонаторах при движении зерна относительно источников излучения.
-
Обосновать конструкционно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установок с учетом зависимостей деформации зерна от разрушающего усилия, влажности, температуры; результатов исследований химического состава, микробиологических и органолептических показателей, активности уре-азы в обработанных соевых бобах.
-
Разработать СВЧ установки для повышения кормовой ценности фуражного зерна и провести их испытания в производственных условиях, оценить технико-экономическую эффективность внедрения в фермерские хозяйства.
Объекты исследований: технологические процессы термомеханического воздействия на фуражное зерно, экспериментальные и опытные образцы установок с источниками электромагнитных излучений (ЭМИ); фуражное зерно.
Предмет исследований: закономерности процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно в электромагнитном поле сверхвысокой частоты для определения эффективного рабочего режима функционирования установок.
Научную новизну результатов исследований представляют:
-
Технологии термомеханического воздействия на фуражное зерно для повышения кормовой ценности и новые конструкционно-технологические схемы СВЧ установок для непрерывного режима работы.
-
Математические модели процесса функционирования сверхвысокочастотных установок для термомеханического воздействия на фуражное зерно в непрерывном режиме с рациональными конструкционно-технологическими параметрами.
-
Аналитические зависимости для обоснования параметров электродинамической системы сверхвысокочастотных установок, обеспечивающих снижение микробиологической обсемененности и активности уреазы соевых бобов.
-
Методология проектирования сверхвысокочастотных установок, базирующаяся на выведенных аналитических зависимостях и математических моделях динамики эндогенного нагрева зерна при изменении электрофизических параметров в процессе термомеханического разрушения.
-
Результаты исследования распределения электрического поля сверхвысокой частоты в дифракционных цилиндрических и тороидальных резонаторах при движении зерна относительно источников излучения, позволяющие согласовать добротность и емкость резонатора с напряженностью электрического поля.
-
Обоснованные конструкционно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установок с учетом: зависимостей деформации от разрушающего
усилия, влажности, температуры; результатов исследований химического состава, микробиологических и органолептических показателей, активности уреазы соевых бобов.
7. Разработанные сверхвысокочастотные установки для повышения кормовой ценности фуражного зерна; результаты испытания установок в производственных условиях и технико-экономической оценки внедрения в фермерские хозяйства; новые технические решения основных рабочих органов сверхвысокочастотных установок, подтверждённые патентами № 2489068, № 2502450, № 2584029, № 2586160, положительным решением о выдаче патента на заявку № 2014152010.
Теоретическую и практическую значимость работы представляют:
-
Разработанные технологии термомеханического разрушения фуражного зерна многократным ударом о стенки дифракционных резонаторов в процессе воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и новые конструкционно-технологические схемы СВЧ установок.
-
Результаты теоретических исследований процесса функционирования СВЧ установок с передвижными дифракционными резонаторами разной конфигурации.
-
Разработанная конструкторская документация и созданные образцы СВЧ установок для термообработки и обеззараживания фуражного зерна для повышения кормовой ценности фуражного зерна при сниженных эксплуатационных затратах.
-
Материалы экспериментальных исследований, позволяющие выработать рекомендации по созданию и эксплуатации СВЧ установок с рабочими камерами, обеспечивающими термомеханическое воздействие на фуражное зерно.
Методология и методы исследования. Научные исследования проводились с использованием математических аппаратов электродинамики, теории электромагнитного поля и электрических цепей, а также графоаналитических методов. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием компьютерных программ Microsoft Excel 10.0, Statistic 5.0, трехмерного моделирования конструктивного исполнения СВЧ установок в программе Компас-3D V15. В работе обосновываются методы расчета и конструирования объемных резонаторов по программе трехмерного компьютерного моделирования электрического поля CST Studio Suite 2015.
Положения, выносимые на защиту:
-
Технологии термомеханического воздействия на фуражное зерно для повышения кормовой ценности и новые конструкционно-технологические схемы СВЧ установок для непрерывного режима работы.
-
Математические модели процесса функционирования сверхвысокочастотных установок для термомеханического воздействия на фуражное зерно в непрерывном режиме с рациональными конструкционно-технологическими параметрами новых рабочих органов.
-
Аналитические зависимости для обоснования параметров электродинамической системы сверхвысокочастотных установок, обеспечивающих снижение микробиологической обсемененности и активности уреазы соевых бобов.
-
Методология проектирования сверхвысокочастотных установок, базирующаяся на выведенных аналитических зависимостях и математических моде-
лях динамики эндогенного нагрева зерна при изменении электрофизических параметров в процессе термомеханического разрушения.
-
Результаты исследования распределения электрического поля сверхвысокой частоты в дифракционных цилиндрических и тороидальных резонаторах при движении зерна относительно источников излучения, позволяющие согласовать добротность и емкость резонатора с напряженностью электрического поля.
-
Обоснованные конструкционно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установок с учетом: зависимостей деформации от разрушающего усилия, влажности, температуры; результатов исследований химического состава, микробиологических и органолептических показателей, активности уреазы соевых бобов.
-
Разработанные сверхвысокочастотные установки для повышения кормовой ценности фуражного зерна; результаты испытания установок в производственных условиях и технико-экономической оценки внедрения в фермерские хозяйства; новые технические решения основных рабочих органов сверхвысокочастотных установок.
Степень достоверности основных положений и выводов подтверждена: результатами экспериментальных исследований процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно и положительными результатами испытаний сверхвысокочастотных установок в производственных условиях; использованием современных методик, ГОСТов, приборов и оборудования; сходимостью теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Апробация результатов. Работа выполнялась по тематическому плану Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био - нанотехнологий» (2010…2011 г.г.) по теме: «Интенсификация с.-х. технологических процессов воздействием электромагнитных излучений»; по плану НИР ФГБОУ ВО «РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева». Апробация СВЧ установок для термомеханического воздействия на фуражное зерно проводилась в Молочно-товарном комплексе ОАО «Вурнарский мясокомбинат» Вурнарского района, СХПК «Колхоз им. Ленина» Чебоксарского района, КФХ «Петров А.В.» Аликовского района, КФХ «Семенов В.Н.» Козловского района Чувашской Республики. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «РГАУ -МСХА им. К.А. Тимирязева», АНО ВО «Академия технологии и управления», ФГБОУ ВО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ».
Материалы диссертации доложены и обсуждены на: международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» ФГБОУ ВО «Марийский ГУ», (2011…2016 г.г.); международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ» (2011…2015 г.г.); международных научно-практических конференциях АНО ВО «Академия технологии и управления» (2014…2015 г.г.); всероссийских научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА» (2011…2014 г.г.) и других.
Результаты диссертационных исследований были отмечены дипломами и сертификатами: - за участие и высокие результаты в конкурсе «Молодой инно-ватор» (отдел молодежного и общественного развития администрации г. Чебоксары, 30.11.2011 г.); - за второе место в IX республиканском конкурсе научно-
исследовательских работ «Наука XXI века» (Министерство образования и молодежной политики Чувашской Республики, 2013 г.).
Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 62 печатных работах, в том числе 16 из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК РФ Министерства образования и науки Российской Федерации, 4 патентах и в решении на выдачу патента, 2 монографий, объемом 27,26 печ. листов. Объем публикаций 50,29 п.л., из которых доля авторского вклада – 31,82 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 295 наименований, 9 приложений. Общий объем диссертации составляет 416 страниц, в том числе на 308 страницах изложен основной текст с 171 рисунками и 39 таблицами.
Анализ технологий и технических средств для повышения кормовой ценности фуражного зерна воздействием электрофизических факторов
Плющение. Плющение зерна злаковых культур с предварительной его варкой и последующим кондиционированием способствует улучшению вкусовых качеств и поедаемости корма, повышает питательную ценность углеводных и протеиновых составляющих в зернах злаковых и бобовых культур, снижает затраты энергии организма животных на переработку корма, позволяет частично инактивировать антипитательные вещества, уничтожает патогенную микрофлору [18]. Расход пара составляет 500…700 кг/ч на 1 т зерна. В процессе варки влажность зерна увеличивается до 20...24%. Для плющения зерна используют плющильную машину.
Экструзия – это способ обработки зерна, при котором предусматриваются два непрерывных процесса: механическое и химическое деформирование и «взрыв» продукта. Сырье доводят до влажности 12…16%, измельчают и подают в экструдер, где под действием высокого давления (2,8…3,9 МПа) и трения зерновая масса разогревается до температуры 120...150 С. Затем происходит так называемый взрыв, в результате чего гомогенная масса вспучивается и образует продукт микропористой структуры. Вследствие деструкции целлюлозно-лигниновых образований и желатинизации крахмала значительно улучшается его кормовая ценность. Количество крахмала при этом уменьшается на 12%, декстринов (продукты первичного гидролиза крахмала) увеличивается более чем в 5 раз, а сахара возрастает на 14%. При этом значительно улучшается санитарное состояние зерна. Под действием высокой температуры и давления почти полностью уничтожаются патогенная микрофлора и плесневые грибы.
Экспандирование. Экспандирование - процесс, основанный на гидротермической обработке корма под давлением. Принцип действия экструдеров и экспандеров одинаков. Затраты электроэнергии при этом составляют 100…150 кВтч/т. Экструдирование комбикормов проводится при влажности 12…14%. Обработка комбикорма в экспандере проводится при более высокой влажности, чем в экструдере. Обзор электрофизических способов и технических средств для обработки зерна
Известно, что у молодняка животных ферментные системы пищеварительного тракта с трудом переваривают крахмал, поэтому фуражное зерно обрабатывают разными методами. Линия обработки зерна включает машины для увлажнения, его обжаривания, охлаждения и измельчения. На процесс обработки зерна влияют физико-механические свойства зерна. Изменяют свойства зерна, регулируя их влажность, температуру, дисперсность, добавляя компоненты. В результате тепловой обработки зерна улучшаются вкусовые свойства, повышается питательная ценность, происходит обеззараживания сырья.
Обработка зерна воздействием электрофизических факторов.
Кроме вышеперечисленных механических, химических, биологических способов для обработки зерна в целях улучшения его технологических свойств и уничтожения вредной микрофлоры, используются, как было сказано ранее, различные физические методы [2, 62, 66, 227, 125, 126, 127, 129].
Обработка зерна переменным магнитным полем. При обработке зерна переменным магнитным полем наблюдается угнетающее воздействие на бактерицидную микрофлору. Угнетение патогенной микрофлоры, находящейся на семенах в споровидном состоянии, происходит в связи с тем, что силовые линии электрического поля концентрируются в области межэлектродного пространства, заполненного либо электропроводным материалом (живые бактерии, грибы, насекомые, мелкие животные), либо с большей диэлектрической проницаемостью, чем остальная часть пространства [79].
Обработка ультразвуком [132]. Ультразвук - это сильнодействующий фактор, вызывающий различные изменения в зернах. Под влиянием ультразвуковых колебаний в зерне идет гидролитические расщепления сложных органических соединений в более простые соединения. Методика обработки семян ультразвуком сложная.
Микронизация. Микронизация зерна в последнее время начала быстро распространяться в сельскохозяйственной практике США, Англии, Японии и других стран. Термин «микронизация» был введен в связи с обработкой зерна под действием микроволн. Сущность микронизации состоит в изменении структуры крахмала и белка обрабатываемого зерна в результате интенсивного воздействия электромагнитным излучением. Например, нагрев ИК лучами вызывает вибрацию молекул продукта, при этом выделяется тепло и повышается давление за счет быстрого испарения влаги [21, 22, 23, 24, 25, 26, 28, 29, 64, 215, 216, 217, 222, 223]. Оболочка крахмальных гранул разрушается, происходит деструкция и желатинизация крахмала, а также денатурация белка. Эти лучи вызывают интенсивный внутренний нагрев зерна, повышают нагрев водяных паров, внутренняя влага в нем как бы закипает. Крахмал при этом набухает и же-латинизируется, структура разрушается. Питательные вещества (белки, углеводы) в процессе обработки зерна подвергаются структурным изменениям. Так, например, повышение живой массы поросят происходит на 13…16% за счет лучшей переваримости и усвоения питательных веществ кормов рациона. Сущность метода состоит в том, что зерно, в том числе и с повышенной влажностью, по мере продвижения по транспортеру подвергается инфракрасному облучению (длина волн 2…6 мкм). В нашей стране для этой цели применяют кварцевые галогенные лампы КГИ-220-1000. Инфракрасные лучи проникают в зерно и вызывают интенсивную вибрацию молекул, под действием трения быстро вырабатывается внутреннее тепло, и за счет испарения воды повышается давление [128]. За время нахождения зерна под инфракрасными лучами, которое измеряется десятками секунд, зерно становится мягким, разбухает и растрескивается. Биополимеры зерна (углеводы, белки) подвергаются таким же структурным изменениям, что и при гидротермической и баротермической обработке.
Исследование картины распределения электромагнитного поля в объемных резонаторах СВЧ установок
Термомеханическое воздействие является процессом, который необходимо рассматривать в контексте системы со сложными внутренними физико-химическими связями и внешним воздействием энергии электромагнитных излучений и окружающей среды [61]. Системный анализ, применимый к разработке и проектированию новых способов реализации процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно, заключается в решении комплекса взаимосвязанных задач, к которым относятся: анализ электрофизических и тепло-физических свойств фуражного зерна; выбор энергоподвода; обоснование и расчет конструкционных особенностей рабочих камер установок; исследование и обоснование оптимальных режимов работы, обеспечивающих повышение кормовой ценности продукта за счет снижения микробиологической обсеме-ненности, активности уреазы соевых бобов; расчеты тепло- и влагопереноса.
В исследованиях применена методология системного анализа, в том числе методы перехода от сложной реальной физической модели процесса термообработки зерна к математической модели. Представим методику такого перехода [6, 102, 198, 203]. На вход электрофизической системы (фуражное зерно) действуют внешние потоки среды, которые характеризуются вектором X1 входных переменных. Это напряженность электрического поля, влагосодержание, температура, исходная обсемененность сырья, структура. В процессе обработки под действием воздействующих факторов f входные данные преобразуются в вектор выходных переменных Y1: Y1=f(X1). (2.1) Реальная зависимость заменяется математической моделью: Y2=F(Xh X%) (2.2) Функциональный оператор F отображает зависимость вектора выходных переменных от входных переменных и состояния самого объекта во времени Хт. Оператор F является системой описания процесса в виде дифференциальных уравнений с соответствующими краевыми условиями и эмпирическими соотношениями. Решение этих уравнений дает зависимость в виде: Y2=cp(Xi) (2.3) Функция р позволяет отразить информацию о способе получения соотношений между входными и выходными переменными системы в виде аналитического решения. Применим указанный метод для математического моделирования процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно [165]. В соответствии с поставленными задачами исследований на основе анализа конструкций и процесса термообработки фуражного зерна для повышения кормовой ценности, разработаны технологии и установки с источниками электромагнитных (ЭМИ).
В результате системного анализа функционирования разработанных установок при воздействии нескольких входных переменных (масса загрузки фуражного зерна, мощность СВЧ генератора, частота вращения диска, продолжительность воздействия), выявлены параметры, характеризующие качественные показатели технологического процесса. Это - снижение микробиологической обсемененности, улучшение физико-химического состава (расщепление крахмала до сахаров на 98%, увеличение щелочерастворимых белков на 3… 5%, снижение активности уреазы), способствующего лучшей переваримости и усвояемости организмом животных. При работе СВЧ установок следует анализировать процесс функционирования их основных рабочих органов с целью обоснования рациональных конструкционно-технологических параметров.
При термообработке фуражного зерна обязательно следует предусмотреть процессы измельчения и перемешивания, так как раскалыванием, размолом, дроблением зерна разрушается твердая оболочка, что облегчает разжевывание и повышается доступность питательных веществ, следовательно, снижается расход кормов на единицу продукции животноводства. Обеспечение завихрение зерновой смеси повышает равномерность эндогенного нагрева.
Теоретические исследования процесса термомеханического воздействия на фуражное зерно включают решение комплекса взаимосвязанных задач.
Сверхвысокочастотный энтолейтор для термомеханического воздействия на фуражное зерно
Теоретические исследования проводили по методике Корчагина Ю.В. патент № 2161505 «Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа» [207, 268]. Изобретение относится к системам для стерилизации с использованием ЭМИ диапазона СВЧ. Способ заключается в использовании маломощного источника СВЧ излучения. Повышение напряженности электрического поля СВЧ диапазона при помощи объемного резонатора без использования мощных генераторов обеспечивает уничтожение микроорганизмов.
Известно, что использование кварцевых ламп (УФ излучения) не обеспечивает требуемую в практике стерильность, так как стерилизуется только поверхность, а бактерии или споры, скрытые в порах или покрытые тонким внешним слоем, не прозрачным для УФ излучения, остаются жизнеспособными. Рентгеновские или гамма излучение надежно обеззараживают сырье только при очень больших дозах, достигающих нескольких сот тысяч рентген, что требует использования сложных и дорогих боксов для защиты персонала, а большие уровни облучения могут привести к изменению механических или оптических свойств обрабатываемого сырья. Защита персонала от СВЧ излучения большой мощности – задача несравненно более простая, чем в случае рентгеновского или гамма излучения, так как экранирующий корпус, определенной толщины, достаточно для полной защиты от потока СВЧ энергии. Известно, что сельскохозяйственное сырье, в том числе фуражное зерно, практически прозрачны для СВЧ излучения сантиметрового диапазона. Это снимает проблему «скрытых полостей», как в случае УФ излучения. В то же время СВЧ излучение сантиметрового диапазона очень сильно поглощается водой, являющейся одним из основных компонентов любого микроорганизма (бактерии на 70…80% состоят из воды, содержание воды в спорах бактерий составляет 5…15%). Таким образом, действие СВЧ излучения «точечное», в отличие от УФ, рентгеновского или гамма излучения. Важным достоинством СВЧ излучения при нагреве водосодержащего сырья является то, что в отличие от всех способов обеззараживания воздействие на сырье осуществляется изнутри, за счет тепловой энергии, выделяющейся в объеме самого микроорганизма. Микроорганизмы, особенно споры бактерий, имеющие до 5 защитных оболочек, с высоким тепловым сопротивлением, препятствующим эффективному нагреву при внешнем воздействии, оказываются совершенно беззащитными перед даже небольшим внутренним тепловыделением, так как в этом случае защитные оболочки спор только облегчают задачу их уничтожения, препятствуя отводу тепла из внутреннего объема бактериальных спор.
Однако для получения СВЧ излучения с напряженностью электрического поля, достаточной для уничтожения микроорганизмов, требуется обычно использование мощных СВЧ генераторов и поэтому этот способ обеззараживания не получил широкого распространения.
Наша задача разработать простой, общедоступный способ и установки для обеззараживания сельскохозяйственного сырья, в том числе фуражного зерна при помощи электромагнитного излучения СВЧ диапазона с использованием маломощных (1…5 кВт) генераторов. При этом предлагается повысить напряженность электрического поля внутри резонатора особой конструкции до величины, обеспечивающей уничтожение микроорганизмов, таких как бактерии, споры, за счет непосредственного поглощения ими СВЧ энергии. Для обеспечения необходимой электрической прочности резонатора, т.е. исключения возможности пробоя, в конструкции резонатора можно предусмотреть использование фторопласта. При обеззараживании зерна с высоким содержанием влаги вначале внутри резонатора необходимо поддерживать слабую напряженность электрического поля (регулируя мощностью генератора), после снижения влажности зерна повышают напряженность ЭМПСВЧ до уровня, обеспечивающего уничтожение микроорганизмов. Способ реализован установкой, содержащей источник СВЧ излучения (магнетрон, рабочая частота которого отличается не более чем на 20% от собственной резонансной частоты объемного резонатора), передвижные объемные резонаторы. Излучающий элемент направлен в передвижные резонаторные камеры, образуя лучевую электродинамическую систему.
Результаты исследования химического состава фуражного зерна после термомеханического воздействия
Ротор расположен в экранирующем корпусе с патрубками для приема и выгрузки продукта. На верхнем основании корпуса расположены СВЧ генераторные блоки так, что их излучатели направлены внутрь цилиндрических резо-наторных камер. Беличьи клетки собраны из неферромагнитных втулок. Нижний диск выполнен из неферромагнитного материала, а верхний диск - из фторопласта. Верхние части резонаторных камер выполнены в виде сферических сегментов, в внутрь которых направлены излучатели. Диаметр сферического сегмента равен диаметру беличьей клетки. Если высота h цилиндрических резонаторов удовлетворяет условию h/2 = А/4, (А= 12,24 см - длина волны), то в объемном резонаторе устанавливаются стоячие волны с пучностью магнитного поля и узлом электрического поля на боковых стенках. Из объемных резонаторов широко применяются волноводные, коаксиальные и тороидальные резонаторы.
Объемный резонатор, выполненный из двух частей - сферического сегмента и беличьей клетки образуют рабочую камеру, представленную в виде комбинированной резонаторно-лучевой электродинамической системы. Тороидальные резонаторы отличаются от волноводных резонаторов более сложным профилем поперечного сечения. В средней части расстояние между стенками меньше, чем по краям. Если коаксиальный резонатор замкнут накоротко с обоих концов, то высота его должна быть равна четному числу А/4. Например, внутри беличьей клетки расположена пустотелая втулка. При уменьшении рабочего зазора интенсивность электромеханического воздействия увеличивается, так как возрастает сила удара и взаимного трения и повышается напряженность электрического поля сверхвысокой частоты. Удельная нагрузка зависит от особенности обрабатываемой культуры, от режима работы установки. Производительность зависит от размеров рабочей поверхности (количества и диметра объемных резонаторов), от удельной нагрузки, мощности и СВЧ генераторов.
Окружную скорость ротора следует выбирать в зависимости от обрабатываемой культуры. Включают электродвигатель 14 для привода ротора 5, 6. Исходное сырье через приемный патрубок 10 поступает в пространство между дисками 5 и 6 ротора, через отверстие в верхнем диэлектрическом (фторопластовом) диске 5. Включают все СВЧ генераторные блоки 7.
В резонаторных камерах 2, 4 образуется электромагнитное поле сверхвысокой частоты. Зерно, находящееся внутри беличьей клетки в процессе ее передвижения подвергается воздействию ЭМП СВЧ при стыковании со стационарной частью резонаторной камеры. При вращении ротора под действием центробежных сил инерции и воздушного потока продукты размола зерна движутся от центра к периферии ротора, отбрасывается в зону резонаторных камер 2, где получает первое ударное воздействие. Затем зерно захватывается и разгоняется втулками и центробежными силами отбрасывается на экранирующий корпус 1, где получает второе ударное действие. В результате живые вредители уничтожаются, поврежденные зерна с личинками разрушаются, а личинки в основном погибают за счет нагрева в ЭМП СВЧ. Вследствие многократных ударов о втулки 3 и корпус 1 зерновые продукты дополнительно разрушаются. Обеззараженное зерно и измельчённый продукт выводится через выпускной патрубок 13. Подача исходного зерна через приемный патрубок 10 в рабочую камеру, мощность СВЧ генераторов, и частота вращения ротора регулируются [47].
Установка позволяет снизить энергетические затраты на обеззараживание зерна и зернопродуктов, улучшить их энергетическую ценность. Под воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ) происходит поляризация диполей, за счет чего в зерне вырабатывается эндогенное тепло. Капиллярная влага интенсивно переходит в пар, вызывая резкий рост давления в зерне. Переход влаги в парообразное состояние, и ее выталкивание на поверхность зерна происходит в результате избыточного давления. Содержание водорастворимых веществ увеличивается, что положительно влияет на органо-лептические свойства и консистенцию продукта. Наряду с этим уничтожаются вредители хлебных запасов, их личинки и патогенная микрофлора зерна. Благодаря малой продолжительности воздействия ЭМП СВЧ практически полностью сохраняется витаминный комплекс продукта.