СВЧ установка для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйствах (25.09.2012)

Автор: Александрова Галина Александровна

При использовании генераторных блоков микроволной печи в перфорированной резонаторной камере, добротностью 6000, обеспечивается напряженность электрического поля всего 0,2…0,6 кВ/см, но за счет многократного циклического воздействия ЭМП СВЧ в процессе перекачивания масло-сырья через резонаторные камеры происходит достаточное превышение температуры в микроорганизмах, позволяющее затормозить их развитие.

Ниже приведена методика согласования конструкционных параметров и режимов работы СВЧ установки, разработанная на основе известных формул с учетом перфорации цилиндрической резонаторной камеры и изменений диэлектрических параметров сливочного масла в процессе термообработки.

Обоснование параметров СВЧ блока с перфорированными резонаторными камерами. Пользуясь методикой В.И. Федяновича (//Радиотехника и электроника, Т37, вып. 7, 1992 г.) анализируем поле волн, распространяющихся вдоль перфораций резонаторной камеры (рис 4).

Рисунок 4 – Перфорированная резонаторная камера: а) объемная модель; б) реальное исполнение камер разной емкости, 1 – излучатель ; 2 – перфорированная поверхность; 3 – перфорация

??$?????? ????????

?????????ue ????$?????U

?????????v

где индекс (+) относится к поверхности резонатора n = -0, а индекс (-) – к поверхности n = +0; t, s, n – направления, t – координата в поперечной плоскости резонаторной камеры, s – вдоль плоскости, n – по нормали к плоскости; ?0 – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; ?о – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

E, H – значения напряженности электрической и магнитной составляющей поля. Максимумы напряженности электрического поля и поперечной составляющей магнитного поля в проектируемой перфорированной резонаторной камере смещены на четверть длины волны (рис. 5д). Индекс при емкости С указывает на направление электрического поля вблизи поверхности камеры в месте локализации, а индекс при индуктивности L – направление магнитного поля. Из решения равенств (2), (3) находим:

, р – диаметр перфорации, Сt /T - погонная емкость, Lп·Т – погонная индуктивность.

Считаем, что Hs = 0 и что поле распространяется вдоль перфораций (по s). Обозначим напряжение на перфорации U = Et · T и ток на ее кромках I = - Bn / Ln , (5)

где Bn = µо· Hn – магнитная индукция.

Из уравнений Максвелла находим: dU/ds = i·?·Bn·T. (6)

Определим емкости при разных схемах заполнения перфорированной резонаторной камеры (рис. 5):

а) Сп (v) = Сп· (1 - V + V/ ?), б) Сп (v) = Сп ·(1 – (1 - 1/ ?) · V/2 ) / (1- (1 - 1/ ?) V),

в) Сt (v) = Сt ·(1 - V·? - V), г) Сt (v) = Сt· (1 - V· (? – 1)/2, (7)

где V – коэффициент заполнения перфораций диэлектриком (продуктом).

Рисунок 5 – Частичное заполнение перфораций сливочным маслом (диэлектриком):

а – граница диэлектрика совпадает с эквипотенциальной поверхностью электрического поля у поверхности резонаторной камеры; б – сливочное масло на одной стороне поверхности резонатора; в – граница диэлектрика совпадает с электрической силовой линией поля у перфорации; г – диэлектрик на одной стороне перфорации; д – электрическое и магнитное поля волны типа H011 в цилиндрической перфорированной резонаторной камере [Г.Б. Белоцерковский]

При полном заполнении перфораций продуктом (рис. 5а, 5в) емкости увеличиваются в ? раз. Зная емкость перфорированной резонаторной камеры определяем потери мощности в продукте по известной формуле: Р = U2·2 ?·C·tg ?, (8)

где tg? = 0,0939·Т0,0894 – тангенс угла диэлектрических потерь сливочного масла;

? = 3,5331·T0,0645 – диэлектрическая проницаемость продукта, изменяющаяся в процессе термообработки, при частоте 2450 МГц.

Выражения индуктивности и емкости перфорированной резонаторной камеры по нормали к плоскости напряженности электрической и магнитной составляющей поля, также по поперечной плоскости резонаторной камеры, позволяют вычислить добротность и потери мощности потока ЭМИ через перфорацию камеры (рис 6). Известно, что добротность резонаторной камеры выражается по формуле:

Q2 = ?о· Wо / Р, (9)

где ?0 – частота собственных колебаний резонаторного контура, 1/с; Wо – энергия, запасенная в контуре, Вт·ч; Р – мощность поглощения сырьем, Вт.

Рисунок 6 – Поверхность перфорированной резонаторной камеры, расположенной внутри масло-сырья (а) и под сливочным маслом (б): 1 – сливочное масло, 2 – перфорированная плоскость, 3 – растопленное масло, r – толщина продукта

В проектируемом объемном резонаторе тепловые потери достаточно высокие из-за его перфорации, нарушающей экранизацию потока мощности ЭМИ. Но преимущество перфорированной резонаторной камеры в том, что потери потока излучений через перфорацию эффективно используются сырьем, находящимся на поверхности камеры, т.е. за счет краевого эффекта потока ЭМИ масло-сырье предварительно нагревается, тем самым КПД СВЧ генератора сохраняется. Снижение мощности потока излучения через перфорацию можно осуществить, если ее радиус в 10…15 раз меньше рабочей длины волны. При длине волны 12,24 см допустимый радиус перфорации составляет 0,8…1,2 см. Разработанные нами резонаторные камеры имеют радиус перфорации 0,25 см и 0,35 см, то есть в среднем в 4 раза меньше.

В третьей главе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены частные методики исследований и характеристики использованной измерительной аппаратуры; машинно-аппаратная схема производства топленого масла при воздействии ЭМП СВЧ; описания разработанной и изготовленной СВЧ установки.

Источниками СВЧ энергии служили генераторы Rolsen MS 1770 MD, МW20МД, работающие на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1,2 кВт. Перекачивание сырья через рабочую емкость осуществляли с помощью центробежного насоса НБЦ-0,55, мощностью 550 Вт, а учет объема перекачиваемой жидкости – с помощью счетчика СГВ-15 «БеТАР». Контроль мощности привода насоса осуществляли с помощью цифрового измерителя мощности D2436АВ, а частоту вращения – с помощью фототахометра ДТ - 2234А. Измерение массы сырья в процессе исследований проводили с помощью электронных весов EN-405, а температуры в сырье и продукте – с помощью цифрового контролера E5CN, где для фиксации значения температуры использовали термопару. С помощью анализатора Milko Scan Minor 6 определяли содержание жира, белка, СОМО, сухих веществ в топленом масле. Плотность сырья измеряли с помощью ареометра АМТ 1015-1040 по ГОСТ 3625-2004, вязкость – с помощью вискозиметра группы II по ГОСТ 29226.

Контроль биологически опасных электромагнитных излучений (напряженность и плотность потока энергии) СВЧ установки осуществляли с помощью измерителя электромагнитных излучений ПЗ-33 (до 40000 МГц) в испытательной лаборатории ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике – Чувашии». Оценку пищевой ценности топленого масла проводили в ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике». Микробиологические показатели топленого масла оценивали по ГОСТ Р 53430-2009.

Техническая новизна конструктивного исполнения СВЧ установки состоит в том, что она содержит экранный корпус 2, внутри которого расположены цилиндрические перфорированные резонаторные камеры 3. Они вворачиваются в соответствующие диэлектрические пластины, жестко закрепленные к внутренней поверхности корпуса в тех областях, где имеются излучатели от СВЧ генераторов (рис. 7).

Электронные блоки 1 установлены с внешней стороны экранного корпуса, содержащего загрузочную крышку, причем между нижним и верхним основанием корпуса установлен трубопровод 4, соединенный с циркуляционным насосом 5 для перекачивания сырья.

В четвертой главе «Результаты исследования технологического процесса термообработки сливочного масла» приведены: результаты исследования динамики эндогенного нагрева сливочного масла; оценка качества топленого масла по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям; оптимизация энергетических затрат на термообработку сливочного масла и режимов работы СВЧ установки.

Экспериментальные исследования динамики эндогенного нагрева сливочного масла при разной удельной мощности СВЧ генератора показывают, что превышение температуры на 65…85оС в продукте достигается при дозе воздействия 0,18…0,2 кВт·ч/кг (рис. 8). Эмпирические выражения зависимости температуры нагрева сливочного масла жирностью 72,5 % от продолжительности воздействия ЭМП СВЧ при разных удельных мощностях:

T = 19,85Ln(?) + 4,52, (1,5 Вт/г), T = 32,15Ln(?) + 1,58, (4 Вт/г),

T = 40,52Ln(?) + 3,89, (8 Вт/г); T = 50,92Ln(?) + 10,04, (16 Вт/г). (9)

На рис. 9 приведена динамика эндогенного нагрева поверхности сливочного масла в стационарном режиме.

Неравномерность распределения теплового потока по поверхности сливочного масла описывается выражениями: Тmax = 21,69 ?0,678, Tmin = 16,84 ?0,611,

Tmax – Tmin = 5,77 e0,203?. (10)

Экспериментальные значения динамики нагрева сливочного масла (рис. 8, 9, 10) с достаточной доверительной вероятностью коррелируются с теоретическими данными (рис. 3), с учетом неравномерности нагрева по объему продукта 7…8 оС.


загрузка...