Comparative analysis of microvave frequency devices for grain disinfection

Full Text

Введение В современной агротехнике возделывания зерновых культур основным приемом борьбы с фитопатогенными инфекциями является предпосевное протравливание. Нанесение на поверхность семян химически активных веществ обеспечивает высокий уровень подавления патогенной микрофлоры, однако сам принцип химической обработки не лишен серьезных недостатков. Так, наиболее эффективные протравители - системные фунгициды из класса бензимидазолов (фундазол, фундазим СП и др.) - относятся ко второму классу опасности, то есть ядовиты, в том числе, для человека. Это чревато токсикологическими последствиями для окружающей среды и человека, в то время как паразитные микроорганизмы вырабатывают резистентность к применяемым ядохимикатам и подвергаются мутациям под их действием в сторону чрезвычайно опасных и устойчивых видов. Указанных недостатков лишено электрофизическое обеззараживание, использующее сверхвысокочастотную (СВЧ) энергию. Механизм электрофизической стерилизации принципиально отличается от химического. Он не требует внесения в материал инородных опасных веществ, а основан на преобразовании внутренней естественной среды биоорганизмов - биологической влаги. При достаточном уровне внешней энергии влага живых организмов ионизируется с изменением таких столь важных параметров, как водородный показатель pH и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). В результате действия активных ионов в клетках паразитных микроорганизмов развивается оксидантный стресс, происходит разрыв пептидных связей в длинных белковых цепях, нарушается синтез АТФ, наблюдаются другие биологические явления, вызывающие в конечном итоге гибель грибков и бактерий, населяющих зерно, без применения ядохимикатов [1]. При отмеченных преимуществах СВЧ-обработка имеет свои недостатки. К ним относятся меньший стерилизующий эффект по сравнению с химическим протравливанием и значительные затраты электроэнергии. Лучшие результаты могут дать комбинированные методы [2], но и для них актуально снижение энергозатрат и увеличение обеззараживающего эффекта на этапе СВЧ-воздействия. При этом немаловажно, чтобы этот эффект наблюдался на участке высокой производительности установки, обеспечивая тем самым возможность встраивания данной электротехнологии в конкретные производственные процессы АПК при согласованной работе всей технологической линии. Переходя к оценке СВЧ-оборудования, следует отметить его существенные отличия в части генерации микроволновой энергии, ее подвода к материалу, организации движения потока материала через активную зону, наличия или отсутствия систем рекуперации тепла. Все это приводит к разным техническим характеристикам, которые подлежат анализу. Особого внимания при этом, разумеется, заслуживают наиболее важные параметры: производительность, обеззараживающий эффект и установленная мощность, характеризующая энергопотребление. Цель исследования Цель исследования - анализ характеристик СВЧ-оборудования для обеззараживания зерна, выработка единого критерия для его объективной оценки, проведение сравнения СВЧ-установок по вновь введенному критерию. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Технические характеристики СВЧ-оборудования в той или иной мере освещаются производителями и могут служить материалом для анализа. Исходной базой для начального анализа служит соответствие электроустановки некоторым общим требования, которые проистекают из назначения подобного оборудования, условий его работы в АПК, качества выходной продукции. К таким требованиям относятся: - производительность - от 1 т/ч и выше; - качество обеззараживания - уменьшение суммарного содержания грибковой и бактериальной микрофлоры в зерне - не менее чем на 25 %; - энергоэкономия - до 30 % за счет рекуперации тепла; - среда эксплуатации - сельскохозяйственные помещения с относительной влажностью 70...90 %, температурой от +10 до +30 °С и запыленностью до 1,3 г/м3 [3]; - безопасность - минимальный уровень внешнего излучения, не превышающий допустимых норм. На практике полная техническая информация о той или иной СВЧ-установке чаще всего отсутствует. Это вынуждает оперировать ограниченными данными, используя, в частности, производительность и установленную мощность, как правило, известные (рис. 1-6). Фрязинское предприятие «НПП «Магратеп» разработало обеззараживающую СВЧ-установку «МАГРА-Э» [4], имеющую блочно-модульное построение (рис. 1). Ее производительность составляет 400 кг/ч, что не удовлетворяет рассмотренным выше требованиям и является ограничивающим фактором для применения в АПК. Ряд СВЧ-установок выпускается в Санкт-Петербурге [5]. Их внешний вид и характеристики представлены на рис. 2-5. На рис. 6 показан внешний вид и характеристики новой СВЧ-установки, получившей название «СИГМА-1», которая разработана в лаборатории биоэнерготехнологий подразделения СКНИИМЭСХ ФГБНУ «Аграрного научного центра «Донской». Данные на рис. 1-6 свидетельствуют, что все рассматриваемые СВЧ-установки имеют производительность ниже требуемой, при том что их установленная мощность достигает десятков кВт. Предпочтительной на этом фоне выглядит установка «СИГМА-1», имеющая производительность 900 кг/ч при установленной мощности 10 кВт. Данная установка реализует комбинированный конвективно-микроволновый метод обеззараживания, за счет чего получен значительный обеззараживающий эффект 25 %. Энергоэкономия обеспечивается использованием вторичного тепла от системы охлаждения магнетронов [6]. Инновационные технические решения установки «СИГМА-1» включают: многоканальный СВЧ-энергоподвод; расширенную зону СВЧ-облучения на восьми магнетронах; специальный корпус-воздуховод-защитный экран; загрузочный бункер с функцией формирования тонкого слоя зерна и др. Установка имеет повышенную надежность благодаря многоканальному построению [6] и эффективной системе охлаждения, одновременно выполняющей функции нагнетания теплоносителя в зону конвективного нагрева [7, 8]. С целью дальнейшего анализа наиболее важные параметры СВЧ-установок целесообразно объединить в единый показатель - коэффициент эффективности обеззараживания, рассчитываемый по формуле: , (1) где Kэо - коэффициент эффективности обеззараживания; Q - производительность СВЧ-установки, кг/ч; PУ - установленная электрическая мощность, кВт; ΔЗ - обеззараживающий эффект в процентах: ΔЗ = Зн - Зк, где Зн - начальное (до обработки) суммарное содержание грибковой и бактериальной микрофлоры в зерне, %; Зк - конечное (после обработки) суммарное содержание грибковой и бактериальной микрофлоры в зерне, %. Согласно выражению (1), коэффициент Kэо тем выше, чем больше производительность установки, выше обеззараживающий эффект и ниже установленная мощность. Таким образом, он однозначно характеризует СВЧ-установку по важнейшим характеристикам, а рассчитанный для ряда установок дает возможность их объективного сравнения. К сожалению, не все производители СВЧ-оборудования указывают обеззараживающий эффект ΔЗ (он известен только для установки «СИГМА-1»), а также производительность, при которой он был получен. Это затрудняет полностью корректный анализ по вновь введенному показателю Kэо. Для приближенного анализа введем коэффициент: . Данные для расчета коэффициента имеются и приведены на рис. 1-6. Принимая их во внимание, произведен расчет в программе Ms Excel. Результаты расчета в графическом виде представлены на рис. 7. Рис. 7. Коэффициент эффективности обеззараживания Очевидно, что наибольший коэффициент имеет установка «СИГМА-1», для которой = 90 кг/ч/кВт. Это означает, что данная установка способна обеззараживать 90 кг материала в 1 час на 1 кВт установленной мощности. На втором месте установка «МАГРА-Э», уступающая установке «СИГМА-1» в 1,5 раза по анализируемому показателю. Остальные СВЧ-установки имеет в три и более раза худший коэффициент эффективности обеззараживания, т.е. они малопроизводительны и энергозатратны. Следует заметить, что благодаря тепловому эффекту микроволн практически все СВЧ-установки могут использоваться для сушки, а в отдельных случаях и для жарки материала, как, например, установка «БАРХАН-3». Естественно, что в режиме жарки производительность мала, а затраты электроэнергии велики, чем объясняется крайне низкий коэффициент указанной установки. Функция обеззараживания при этом также присутствует, но чтобы достичь уровня установки «СИГМА-1», производительность установки «БАРХАН-3» в режиме обеззараживания должна быть увеличена почти в 20 раз, что крайне маловероятно. Иначе говоря, не имея упомянутых инновационных решений, установка «БАРХАН-3», не сможет превзойти установку «СИГМА-1» по коэффициенту эффективности обеззараживания, несмотря на в четыре раза большую установленную мощность. К особенностям установки «СИГМА-1» относится модульный принцип построения, согласно которому в ее основе лежит независимый модуль - волноводная секция. Секция представляет собой запатентованное СВЧ-устройство на 4 магнетронах, расположенных особым образом на общей камере-трубопроводе [8]. В оригинальной установке две таких секции, однако их количество может быть увеличено путем последовательного и параллельного соединения. На рис. 8 показано комбинированное параллельно-последовательное соединение четырех волноводных секций, что в сравнении с установкой «СИГМА-1» обеспечивает повышение производительности в 2 раза. При 8 секциях производительность увеличивается в 4 раза и т.д. Немаловажно, что при предлагаемом способе соединения секций габаритная высота установки не увеличивается - она сохраняет компактность. Используя разное количество секций, перспективно создание обеззараживающего СВЧ-оборудования разной производительности, ориентированного на конкретного потребителя, - от малых фермерских хозяйств до крупных растениеводческих комплексов. Выводы 1. СВЧ-установки для обеззараживания зерна должны удовлетворять определенным требованиям, важнейшими среди которых являются производительность, обеззараживающий эффект и энергозатраты. Предложен интегральный критерий - коэффициент эффективности обеззараживания, объединяющий эти параметры в одной цифре и рассчитываемый по предлагаемой методике. 2. Расчет и графическое представление коэффициента эффективности обеззараживания для ряда СВЧ-установок демонстрирует явные преимущества установки «СИГМА-1», превосходящей аналоги в 1,5…3 раза. Возможно дальнейшее совершенствование подобного оборудования путем наращивания числа волноводных секций, что кратно увеличивает производительность. Рис. 1. СВЧ-установка «МАГРА-Э» Рис. 2. СВЧ-установка «ПОТОК» Рис. 3. СВЧ-установка «БАРХАН-3» Рис. 4. СВЧ-установка «ЛАМИНАРИЯ» Рис. 5. СВЧ-установка «АРАБИС» Рис. 6. СВЧ-установка «СИГМА-1» Рис. 8. Параллельно-последовательное соединение волноводных секций СВЧ-установки

About the authors

A. I Pakhomov

The Federal State Budget Scientific Institution «Agrarian Science Center «Donskoy»

Email: AlivPx@mail.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files