Установка для шелушения рапса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Общемировой сбор семян рапса в среднем за последние годы составляет 70-75 млн. т. В нижегородской области в ООО «Завод растительных масел» ежедневно перерабатывают 100 тонн семян рапса, а в фермерских хозяйствах 1-5 т/сутки для получения рапсового масла. В среднем по России рапсовое масло производится до 1 т/ч. Технологическая линия содержит нагреватели (GH-1000, 24 кВт), два пресса для отжима (RP – 500, 44 кВт), экструдер (E–1000 R, 92,5 кВт), винтовой питатель (SF–250, 1,1 кВт), шнековый пресс для окончательного отжима (RP–100, 46,5 кВт), охладитель (O –1000, 4,5 кВт). Общая мощность линии 213 кВт. В Сеченовском районе Нижегородской области работает завод по переработке семян рапса. Завод может перерабатывать не шелушенные семена рапса до 12 тонн в сутки, производя из каждой тонны семян 400 кг масла (40%) и 600 кг жмыха с 20 % содержанием масла, который идет на корм скоту, а масло используют в качестве дизельного топлива [1]. Поэтому для производства пищевого рапсового масла необходимо шелушить семена рапса в условиях фермерских хозяйств.

Существующие способы и  машины  для шелушения, предназначенные для зерновых культур невозможно использовать для семян рапса, из-за особой структуры и физико-механических свойств (хрупкость, низкая влажность – 4 %, мелкие семена −1 мм). Они представляют собой комбинации шелушителя и аспиратора для отделения лузги. Недостаток шелушильных машин – это высокий расход электроэнергии, т.е. на шелушение 1 т зерна затрачивается до 75 кВт∙ч.

Известна установка для шелушения рапса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), состоящая из двух модулей [2]. Первый модуль предназначен для отволаживания семян рапса, второй модуль представлен в виде цилиндрического перфорированного резонатора в экранирующем корпусе с поярусно расположенными электроприводными дисками из мелкозернистого абразивного материала и полым диэлектрическим валом для циркуляции воздуха. Известна установка с тремя поярусно расположенными модулями [3]. Первый модуль обеспечивает распыление воды. Второй модуль представлен виде цилиндрического резонатора с соосно расположенным электроприводным фторопластовым шнеком, винты, которых покрыты мелкозернистым абразивным материалом. В третьем модуле расположены лопасти вентилятора, покрытые также абразивным материалом.

Недостатки. В обеих установках (двухмодульная и трехмодульная) с СВЧ энергоподводом в цилиндрический резонатор – это трудности согласования режимных параметров каждого модуля, отсюда дробление ядра и потери.

Аналогом является воздушный сепаратор Р3-БСД, предназначенный для выделения примесей, отличающихся от зерна аэродинамическими свойствами, и для отделения транспортирующего воздуха от зерна [4]. Отдельные узлы сепаратора позволяют реализовать движения семян рапса и циркуляцию воздуха, но нет узлов, позволяющих шелушить семена рапса с отделением лузги от ядра.

Возникает проблема осуществления качественного шелушения рапса с отделением лузги от ядра и сохранением его целостности. Основное направление совершенствование шелушителя семян рапса заключается в определении рациональных размеров и формы резонаторов с вращающимся ротором с регулировкой скорости.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование параметров установки для шелушения семян рапса в ЭМПСВЧ при гидромеханическом разрушении и истирании оболочек.

Задачи исследования:

1. Изучить существующие технологии и технические средства, применяемые для шелушения семян рапса.
2. Разработать установку, реализующую совмещение процессов гидромеханического разрушения и истирания оболочек семян рапса при воздействии ЭМПСВЧ для снижения выхода дробленых фракций.

Научную новизну представляют: способ шелушения семян рапса, совмещенный с микроволновой технологией, позволяющий максимально отделить лузгу от ядра с сохранением его целостности; конструктивное исполнение установки с квазитороидальным резонатором, обеспечивающим совмещение способов шелушения многократного удара и истирания увлажненных оболочек рапса с процессом воздействия ЭМПСВЧ.

Основная идея, принцип работы и конструкция установки базируется на том, что в квазитороидальном резонаторе происходит совмещение нескольких процессов. А именно: распыление воды на поверхность семян рапса в загрузочной емкости; отволаживание в направляющей радиопрозрачной воронке; многократный удар и истирание увлажненных оболочек рапса в электроприводном распределительном конусе, покрытого мелкозернистым абразивным материалом; воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты высокой напряженности электрического поля.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования является сверхвысокочастотная установка с квазитороидальным резонатором, обеспечивающим гидротермическую обработку семян рапса, снижающую хрупкость эндосперма, и многократный удар и интенсивное истирание оболочек, снижающие выход дробленых фракций. В установке с учетом строения семян рапса, прочности связей оболочек и ядра, прочности ядра реализованы указанные способы шелушения, позволяющие получить как можно больше ядер при малой их дробимости. Эти способы применимы для семян рапса, у которых оболочка не срослась с ядром, но само ядро достаточно хрупкое, требующее увеличение пластичности, чтобы при ударе оно не дробилось.

Радиус неферромагнитного наружного цилиндра 11 подбирается так, чтобы на частоте 2450 МГц конденсаторная часть 8 работала в режиме отсечки. Зазор в конденсаторной части квазитороидального резонатора должен быть кратен четверти длины волны. Размеры квазитороидального резонатора следующие: конденсаторный зазор − 15,3 см; диаметр внутреннего цилиндра − 48,96 см; диаметр внешнего цилиндра− 61,2 см, высота наружного цилиндра − 61,2 см.

При проектировании квазитороидального резонаторов учитывали особенности электромагнитного поля сантиметрового диапазона (длина волны 12,24 см), а именно: объем должен быть достаточно большим, чтобы обрабатывать значительное количество семян рапса и полностью использовать мощность генераторов; линейные размеры квазитороидального резонатора не должны превышать в 5-7 раз длину волны. Уменьшение линейных размеров квазитороидального резонатора до размеров в 1-2 раза превышающих длину волны 12,24 см, приводит к снижению запаса энергии и уменьшению собственной добротности. Применять объемные резонаторы, размеры которых больше в 8-10 раз длины волны, нецелесообразно из-за возбуждения в них большого числа колебаний, тогда резонансные свойства утрачиваются [5], суммарное поле будет неравномерным.

Электродинамические параметры (напряженность электрического поля и собственная добротность) квазитороидального резонатора, размеры которых 5-7 кратны длине волны 12,24 см, определяли теоретическими формулами [6, 7].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Установка (рис. 1) для шелушения семян рапса в ЭМПВЧ содержит квазитороидальный резонатор, состоящий из конденсаторной части 8 и тороидальной части. Конденсаторная часть выполнена из соосно расположенных наружного конуса 7 и внутреннего электроприводного конуса 9.  Образованный между наружным цилиндром 11 и внутренним цилиндром 19 кольцевой канал 12 и коническая емкость 18 представляет тороидальную часть  квазитороидального резонатора. Цилиндры  11 и 19 расположены соосно. Над вершиной наружного конуса 7 установлена загрузочная емкость 1. Она предназначена для подачи не шелушённых семян рапса воздушным потоком через специальный патрубок и распыления воды через патрубок 4.  В загрузочной емкости 1 имеется направляющий лоток 2.

Поверхность электроприводного конуса 9, выполненного без основания, покрыта мелкозернистым абразивным материалом 10.  Под вершиной наружного конуса 7,  в конденсаторной части 8 резонатора, установлена радиопрозрачная воронка 5, внутри которой расположена электроприводная радиопрозрачная щетка 6. На радиопрозрачный  вал 3 установлена  электроприводная радиопрозрачная щетка 6, а под ней  внутренний электроприводной конус 9.  Под ним расположен радиопрозрачный центральный цилиндр 13, установленный соосно в  радиопрозрачной осадочной камере 14, выполненной в виде усеченного конуса без оснований, пристыкованной к радиопрозрачному патрубку 16.  Над осадочной камерой 14, через зазор установлен радиопрозрачный поддон 21, на основании которого имеется кольцевое отверстие. Пневмосепарирующий канал 15 образован между внутренним цилиндром 19 и радиопрозрачным средним цилиндром 20, размещенным соосно под радиопрозрачной конической камерой 14. Магнетроны 23 воздушного охлаждения расположены со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности  наружного конуса 7 так, что излучатели направлены через волновод в конденсаторную часть 8 резонатора.

Технологический процесс происходит следующим образом. Включить электродвигатель для вращения электроприводной щетки 6 и внутреннего электроприводного конуса 9. Включить подачу распыленной воды через патрубок 4 в загрузочную емкость 1. Открыть узел для подачи исходных семян рапса с примесями потоком воздуха в загрузочную емкость 1. Далее, семена с увлажненной оболочкой, ударяясь о направляющий лоток 2, падают в радиопрозрачную воронку 5. После этого следует включить вентиляторы, магнетроны 23. Тогда в квазитороидальном резонаторе возбуждается ЭМПСВЧ (2450 МГц, длина волны 12,24 см). В конденсаторной части обеспечивается высокая напряженность электрического поля, более 2 кВ/см.

Известно [5, 11-30], что при генерации электромагнитного поля моды Н₀₁₁ в цилиндрической части квазитороидального резонатора не требуется наличие контакта между внутренним цилиндром 19 и основанием. В конструкции основанием служит внутренний электроприводной  конус  9, расположенный с зазором не более четверти длины волны (3,06 см) от внутреннего цилиндра 19. В стенках квазитороидального резонатора возбуждаются токи, текущие по окружности внутреннего цилиндра 19 и а в резонаторе электромагнитное поле бегущей волны. В радиопрозрачной  воронке 5, соосно расположенная радиопрозрачная электроприводная щетка 6 обеспечивает равномерное распределение влаги по поверхности семян рапса. Так как радиопрозрачная воронка 5 расположена в конденсаторной части 8 резонатора, поэтому при воздействии ЭМПСВЧ избирательно происходит диэлектрический нагрев, в зависимости от фактора диэлектрических потерь оболочки и ядра. Градиент влаги от поверхности семян рапса к ядру и градиент влаги с центра ядра при расположении в ЭМПСВЧ будут противоположными, что позволит отделить оболочку от ядра. В радиопрозрачной воронке 5 происходит отделение семян рапса от воздуха. Далее, семена рапса попадают на поверхность внутреннего электроприводного конуса 9. Постепенное истирание оболочек происходит в результате трения семян рапса о поверхность с мелкозернистым абразивным материалом электроприводного конуса 9. Многократный удар семян рапса происходит о радиопрозрачное отражательное кольцо 22, покрытое также мелкозернистым абразивным материалом. Семена рапса, под действием центробежных сил при вращении электроприводного конуса 9, отбрасываются к поверхности радиопрозрачного отражательного кольца 22. Скорость удара семян рапса о радиопрозрачное отражательное кольцо 22, при которой происходит шелушение рапса, зависит от его влажности, от удельной мощности сверхвысокочастотного генератора, напряженности электрического поля.

Ядра сохраняют свою целостность, так как они прошли отволаживание в ЭМПСВЧ и частота вращения  электроприводного конуса 9 оптимизирована.

При скатывании семян по поверхности  электроприводного конуса 9, их оболочки истираются и попадают в тороидальную часть  12 резонатора. Откуда через направляющее кольцевое отверстие попадают в восходящий поток воздуха пневмосепарирующего канала 15. Очищенные от оболочек ядра падают вниз, и выводятся через коническую емкость 18, предназначенную для накопления ядер рапса. Легкие частицы воздухом поднимаются вверх через пневмосепарирующий канал 15. Через зазор между  радиопрозрачным поддоном 21 и  радиопрозрачной осадочной камерой 14  тяжелые относы попадают в нее (14).

Во внутренней полости радиопрозрачной осадочной камеры 14 происходит отделение тяжелых относов от легких примесей. Под действием гравитационных сил тяжелые относы выпадают из воздушного потока и выводятся через радиопрозрачный патрубок 16. Легкие примеси под действием аэродинамических сил поступают в радиопрозрачный центральный цилиндр 13, откуда  вместе с воздухом выводятся из него, при определенном напоре потока воздуха, регулируемого клапаном 17.

Таким образом, в установке происходит разделение смеси семян рапса и воздуха на три фракции: ядро, тяжелые относы и воздух с легкими относами. Разделение ядер рапса от лузги (оболочки) происходит за счет различия их аэродинамических свойств. Основным показателем аэродинамических свойств частиц смеси, определяющим ее делимость в воздушном потоке, служит скорость витания. В пневмосепарирующем канале 15 при турбулентном движении воздушного потока сила сопротивления зависит от динамического воздействия потока на ядра семян рапса, а именно от коэффициента аэродинамического сопротивления, Миделева сечения, плотности воздуха, относительной скорости частицы.

На характер взаимодействия семян рапса с водой влияют следующие основные факторы: сорбционные свойства рапса, параметры влагоносителя и окружающей среды. Скорость поглощения влаги зависит от особенностей семян рапса. Семена рапса достаточно увлажнять водой только перед термообработкой. Содержание влаги в оболочке и ядре семян рапса неодинаково. В ядре рапса влага в ЭМПСВЧ распространяется медленнее, чем в оболочке. При этом в оболочке семян рапса появляются микротрещины, это облегчает отделение от ядра. Количество и скорость поглощения влаги зависит от температуры нагрева компонентов семян рапса. При повышении температуры возрастает кинетическая энергия молекул воды и, следовательно, интенсивность влагопереноса в оболочке. С увеличением температуры воды скорость ее поглощения оболочкой рапса увеличивается.

Рис. 1. Установка для шелушения рапса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты: 1 – неферромагнитная загрузочная емкость; 2 – направляющий лоток; 3 – электропривод с радиопрозрачным валом; 4 – патрубок для подачи воды; 5 – радиопрозрачная воронка; 6 – радиопрозрачная электроприводная щетка; 7 – неферромагнитный наружный конус; 8 – конденсаторная часть квазитороидального резонатора; 9 – неферромагнитный внутренний электроприводной конус; 10 – мелкозернистый абразивный материал; 11 – неферромагнитный наружный цилиндр;  12 – тороидальная часть; 13 – радиопрозрачный центральный цилиндр; 14 – радиопрозрачная осадочная камера; 15 – пневмосепарирующий канал; 16 – радиопрозрачный патрубок; 17 – клапан; 18 – неферромагнитная коническая емкость; 19 – внутренний неферромагнитный цилиндр; 20 – радиопрозрачный средний цилиндр; 21 – радиопрозрачный поддон; 22 – радиопрозрачное отражательное кольцо; 23 – магнетроны воздушного охлаждения

Fig. 1.Installation for peeling rapeseed in an ultrahigh frequency electromagnetic field: 1 – non-ferromagnetic loading container; 2 – guide tray; 3 – electric drive with a radio–transparent shaft; 4 – water supply pipe; 5 – radio–transparent funnel; 6 – radio–transparent electric brush; 7 - non-ferromagnetic outer cone; 8 - condenser part of a quasi-toroidal resonator; 9 - non-ferromagnetic inner electric cone; 10 – fine-grained abrasive material; 11 – non-ferromagnetic outer cylinder; 12 – toroidal part; 13 – radio–transparent central cylinder; 14 – radio-transparent sedimentary chamber; 15 - pneumatic separation channel; 16 – radio–transparent nozzle; 17 – valve; 18 – non–ferromagnetic conical container; 19 – internal non–ferromagnetic cylinder; 20 – radio-transparent middle cylinder; 21 - radio-transparent pallet; 22 - radio-transparent reflective ring; 23 - air-cooled magnetrons

Согласование напряженности электрического поля с собственной добротностью резонатора, мощностью генератора проведены по методике Дробахина О.О. [6]. При известных размерах квазитороидального резонатора, его собственную добротность (Q) можно определить по формуле:

     (1)

где V, S − объем и площадь поверхности резонатора, соответственно, м³, м²;

∆ = 1,716 10^-6 м – толщина поверхностного слоя алюминиевого корпуса резонатора.

V_общ = 2∙(3920+5377) = 18594 см³.

Напряженность электрического поля в квазитороидальном резонаторе (Е, В/м) по формуле:

(2)

где Р – мощность генератора, Вт; ε_о – диэлектрическая проницаемость вакуума (8,854∙10^-12 Ф/м);

f − частота ЭМП, Гц; V – объем резонатора, м³.

Предварительные расчеты показывают, что напряженность электрического поля в конденсаторной части достигает до 15 кВ/см, что позволяет при окружной скорости ротора (18-20 м/с) увеличить температуру диэлектрического нагрева семян рапса на 15-20 ^oС. Такая температура способствует отделению увлажненной оболочки от ядра. При мощности электропривода конического ротора 4,2 кВт, частоте вращения 750 об/мин, мощности магнетронов 3,3 кВт, производительность установки для шелушения семян рапса составит 150 кг/ч. Энергетические затраты равны 0,05 кВт∙ч/кг. Результаты исследование электродинамических параметров по программе СST Microwave Studio [8-10] показывают, что напряженность электрического поля в конденсаторной части может составить 15 кВ/см.

ВЫВОДЫ

Достоинства шелушителя с СВЧ энергоподводом в квазистационарный резонатор: высокая технологическая эффективность, сравнительно малый расход электроэнергии. Радиопрозрачное отражательное кольцо, покрытое мелкозернистым абразивным материалом, увеличивает зону удара семян рапса. Эндогенное тепло усиливает процесс набухания оболочек. Возникающие внутренние сдвиги облегчают процесс отделения оболочек от ядра рапса, и тепловой фактор позволяет сокращать продолжительность отделение оболочек от ядра.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов.

Н.Н. Кучин – анализ технологии шелушения семян рапса и зерновых культур и существующих машин. Н.В. Цугленок – обоснование эффективных режимов работы установки с источником электромагнитных излучений; доработка текста; составление выводов.  В.Ф. Сторчевой – работа над реализацией инновационной идеи шелушения семян рапса в квазитороидальном резонаторе СВЧ установки; утверждение окончательной версии рукописи; А.В. Сторчевой - описание принципа действия установки для шелушения семян рапса.

Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

 

Об авторах

Николай Николаевич Кучин

Нижегородский инженерно-экономический университет

Email: nkuchin53@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-9176-2988
SPIN-код: 7394-2263

профессор, профессор кафедры "Технический сервис"

Россия, Российская Федерация, Нижегородская область, 606340, Княгинино, ул. Октябрьская, д. 22а

Николай Васильевич Цугленок

Email: ntsuglenok@mail.ru

Владимир Федорович Сторчевой

Email: v_storchevoy@mail.ru

Александр Владимирович Сторчевой

Автор, ответственный за переписку.
Email: alecks.10@mail.ru

Список литературы

Дополнительные файлы