Отправить статью по E-mail Исследование режимов работы установки СВЧ для термообработки и обеззараживания непищевого сырья животного происхождения
- Авторы: Жданкин Г.В.1, Сторчевой В.Ф.1, Новикова Г.В.1, Уманский П.М.1
-
Учреждения:
- Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева
- Выпуск: № 6 (2019)
- Страницы: 65-69
- Раздел: Механизация
- URL: https://journals.eco-vector.com/2500-2627/article/view/18679
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2500-26272019665-69
- ID: 18679
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Авторами разработано несколько типов установок СВЧ для термообработки сырья, различающиеся по принципу действия и конструкции. Известно, что технологический процесс переработки продукции животноводства включает ряд операций, в результате выполнения которых получают готовые продукты и непищевые отходы, используемые для производства животных кормов. Поэтому для агропредприятий средней мощности актуальна разработка технологий и технических средств переработки непищевых отходов убоя животных, позволяющих получить белковый продукт. В связи с этим проведены исследования режимов работы установки СВЧ для термообработки отходов убоя животных, дано описание принципа действия СВЧ установки с комбинированным резонатором для термообработки непищевых отходов мясного сырья в непрерывном режиме. Комбинированный резонатор представлен как разновидность цилиндрического, но с полусферическим основанием, обеспечивающим подачу сырья в резонатор с обеспечением электромагнитной безопасности. Получены регрессионные модели, на основе которых оптимизированы режимы работы установки. Представлено описание технологии и установки для термообработки непищевого сырья животного происхождения воздействием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты в непрерывном режиме. Рассмотрены особенности диэлектрического нагрева многокомпонентного сырья в процессе измельчения в резонаторной камере, а также аналоги сверхвысокочастотных установок.
Полный текст
В настоящее время особое значение приобретает внедрение прогрессивных технологических процессов переработки сельскохозяйственной продукции и более совершенных технологических средств. Разработанная установка предназначена для получения высококачественной продукции в результате воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на измельченное непищевое сырье животного происхождения [1-3]. Основными задачами были получение качественной продукции, организация производства принципиально новых видов продуктов для животных, а также создание и внедрение современного высокоэффективного технологического оборудования, которое на основе использования прогрессивной микроволновой технологии повышает производительность и способствует экономии сырья и материальных ресурсов [4-8].
Технология производства белкового корма представляет собой совокупность операций, позволяющих получить из различного исходного сырья животного происхождения, различающегося по физико-механическим и диэлектрическим свойствам, химическому составу продукт для кормления животных и птиц с заданными параметрами в зависимости от рецептуры. Основное условие к технологии – получение продукции высокого качества при соблюдении всех этапов технологических процессов, осуществляемых системой взаимосвязанных машин и механизмов [9-12].
Известна центробежная установка для термообработки жиросодержащего сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. Она содержит экранирующий цилиндрический корпус, перфорированный диск-ротор, приемный патрубок; СВЧ генераторные блоки, стационарные и передвижные перфорированные полусферы; выпускной патрубок. В установке реализованы передвижные перфорированные сферические резонаторы в кольцевом волноводе прямоугольного сечения.
Установка для выделения расплавленного жира из жиросодержащего сырья содержит множество генераторов с одним коаксиальным резонатором и конусный ограничитель излучения. Поточность процесса обеспечивают перфорированный барабан с ротором и шнек. Измельченную жиросодержащую кость непрерывно загружают в цилиндрический перфорированный барабан-резонатор через кольцевой зазор. За счет центробежной силы расплавленный жир и частицы шквары определенного размера выдавливаются через перфорацию в барабане и отбрасываются на перфорированные стенки ротора. Вытопленный жир через перфорацию ротора стекает к патрубку и отводится. Шквара, прижатая к перфорированной поверхности ротора, перемещается вверх витками шнека и сбрасывается в карман. Генераторные блоки расположены над кольцевым пространством со сдвигом на 120° для их надежной работы в один коаксиальный резонатор.
Целью наших исследований была разработка установки с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, обеспечивающей интенсификацию процесса термообработки и обеззараживания непищевого сырья животного происхождения в процессе измельчения.
Методика. Эксперименты проведены в лаборатории энергетического и технологического оборудования Российского государственного аграрного универси- тета – Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева в 2018 г. Конструктивное исполнение узлов микроволновой установки для термообработки непищевого сырья животного происхождения в процессе измельчения осуществляли при помощи прикладных компьютерных программ КОМПАС-3D V13. Обоснование конструкционно-технологических параметров микроволновой установки и режимов ее работы проведено на основе математических моделей, описывающих рабочие процессы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сырье в перфорированном цилиндрическом резонаторе, выполненном в виде терки для одновременного измельчения сырья в непрерывном режиме. Рациональные режимы работы СВЧ установки для термообработки измельченных и обезвоженных непищевых отходов животного происхождения определяли при помощи прикладных компьютерных программ Statistics 17 [13-15].
Результаты и обсуждение. Электрофизические методы воздействия на исходное сырье способны интенсифицировать теплообменные процессы, обеспечить микробиологическую безопасность, а также улучшить и повысить пищевую ценность продукта [16-19]. Поэтому разработанная и изготовленная СВЧ установка с комбинированным резонатором (рис.) предназначена для отделения жидкой фракции от измельченных непищевых отходов убоя животных, термообработки и обеззараживания твердой фракции. Основные узлы установки – экранирующий корпус 1, 2; три источника СВЧ энергии (магнетроны 3); диск 4 с электродвигателем 5; шаровой кран 6 со сливным патрубком; комбинированный резонатор 7; съемная перекладина 8 на направляющей трубе; емкость 9 для приема твердой фракции; центрифуга 10. Верхняя часть комбинированного резонатора представлена полусферой, центральная – образующей цилиндра, нижняя – наклонным конусом. Причем на дне резонатора, выполненного под наклоном, расположен перемешивающий механизм – вращающийся диск, и имеется выгрузной патрубок с шаровым вентилем. Измельченное сырье влажностью до 85% попадает в центрифугу, далее твердая фракция падает на поверхность полусферы. Она свободно подвешена с центральной точки с помощью цепи на съемную перекладину 8, установленную на направляющую трубу. Полусфера расположена под направляющей трубой. Между ними имеется кольцевой зазор, через который твердая фракция сырья при колебании полусферы соскальзывает с ее поверхности и падает в комбинированный резонатор. Зазор, предназначенный для загрузки сырья в резонаторную камеру, и диаметр неферромагнитного патрубка с шаровым клапаном для выгрузки продукта не могут превышать четверти длины волны. В этом зазоре образуется стоячая электромагнитная волна, которая имеет нулевое амплитудное значение, поэтому волна не распространяется за пределы установки. К боковой поверхности комбинированного резонатора присоединены волноводы и направлены три излучателя от соответствующих магнетронов. Магнетроны 3 с волноводами установлены со сдвигом на 120° с наружной стороны боковой поверхности комбинированного резонатора. Внутри резонатора расположен диэлектрический цилиндр, ограничивающий попадание сырья на волновод в процессе перемешивания с помощью вращающегося диска, расположенного на дне резонатора. Твердая фракция непищевых мягких отходов подвергается в резонаторе воздействию ЭМП СВЧ (электромагнитным полем сверхвысокой частоты), варится, обеззараживается и выгружается через патрубок с шаровым краном 6.
Проведены экспериментальные исследования технологического процесса. Получена эмпирическая зависимость приращения температуры непищевого сырья от дозы воздействия ЭМП СВЧ:
ΔТ = 33,89 ln D -135, (1)
где D – доза воздействия Вт·с/г; ΔТ – приращение температуры, оС.
Эмпирические зависимости, описывающие изменения общего микробного числа (ОМЧ) от приращения температуры сырья при разной исходной обсемененности (1,3 и 2,1 млн КОЕ/г), представлены соответственно формулой 2:
ОМЧ = 1,28∙е- 0,017 Т, КОЕ/г.;
ОМЧ = 2,25∙е- 0,022 Т, КОЕ/г. (2)
На основе критериальных уравнений получены регрессионные зависимости, позволяющие оценить влияние технологических параметров на продолжительность термообработки и обеззараживание белкового корма, определить рациональные режимы работы СВЧ установки для термообработки измельченных и обезвоженных непищевых отходов животного происхождения. Для этого воспользовались матрицей планирования 3- факторного активного эксперимента типа 23 (табл. 1). В качестве основных факторов, влияющих на процесс термообработки непищевого сырья, выбрали следующие: масса загрузки сырья в резонатор М, кг (х1); продолжительность воздействия непищевых отходов в ЭМП СВЧ τ, с (х2); количество СВЧ генераторов n, шт. (х3). Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями и конструкционными параметрами СВЧ установки.
Критерии оптимизации режимных параметров установки (табл. 2.): Y1 – приращение температуры (ΔТ, оС); Y2 – производительность СВЧ установки (Q, кг/ч); Y3 – доза воздействия ЭМП СВЧ (D, Вт·с/г); Y4 – энергетические затраты на технологический процесс, (W, кВт·ч/кг); Y5 – общее микробное число в белковом продукте, (ОМЧ, КОЕ/г).
Варьируемые факторы были совместимы и не коррелированы между собой, а пределы их изменения принимали равными:
(х1): 0,6 ≤ М ≤ 1,8 кг;
(х2): 60 ≤ τ ≤ 180 с;
(х3): 1≤ n ≤ 5 шт.
Получили двумерные сечения и поверхности откликов в программе Statistics 17 (рис. 2).
Рис. 1. Зависимость поверхностного натяжения глюкозных растворов (σ ) от концентрации сухих веществ (СВ) и температуры (t)
Табл. 1. Матрица активного планирования эксперимента типа 23
Удельная мощность генератора, Вт/г | Масса загрузки в резонатор, кг | Продолжительность обработки, с | Количество СВЧ генераторов, шт. (потребляемая мощность, кВт) | Доза воздействия, Вт∙с/г | ||||
Pуд | Х1 | G | Х2 | τ | Х3 | n | Рген | D |
2,22 | + | 1,8 | + | 180 | + | 5 | 4 | 400 |
0,44 | + | 1,8 | - | 60 | - | 1 | 0,8 | 26,4 |
1,33 | - | 0,6 | + | 180 | - | 1 | 0,8 | 240 |
6,67 | - | 0,6 | - | 60 | + | 5 | 4 | 400 |
2 | 0 | 1,2 | 0 | 120 | 0 | 3 | 2,4 | 240 |
4 | - | 0,6 | 0 | 120 | 0 | 3 | 2,4 | 480 |
1,33 | + | 1,8 | 0 | 120 | 0 | 3 | 2,4 | 160 |
2 | 0 | 1,2 | - | 60 | 0 | 3 | 2,4 | 120 |
2 | 0 | 1,2 | + | 180 | 0 | 3 | 2,4 | 360 |
0,67 | 0 | 1,2 | 0 | 120 | - | 1 | 0,8 | 80,4 |
3,33 | 0 | 1,2 | 0 | 120 | + | 5 | 4 | 400 |
Табл. 2. Критерии оптимизации
Приращение температуры, оС (Т ), То=18 оС | Производительность установки, кг/ч (Q) | Энергетические затраты, кВт·ч/кг (W) | Бактериальная обсемененность, КОЕ/г·103 (ОМЧ) | |
Y1 | Y2 | г/с | Y3 | Y4 |
70 | 36 | 10 | 0,111 | 0,38 |
8 | 108 | 30 | 0,0073 | 1,1 |
54 | 12 | 3,3 | 0,067 | 0,5 |
70 | 36 | 10 | 0,111 | 0,4 |
54 | 36 | 10 | 0,067 | 0,5 |
75 | 18 | 5 | 0,133 | 0,35 |
35 | 54 | 15 | 0,0444 | 0,7 |
25 | 72 | 20 | 0,0333 | 0,85 |
67 | 24 | 80 | 0,1 | 0,4 |
15 | 36 | 10 | 0,0223 | 0,98 |
70 | 36 | 10 | 0,111 | 0,38 |
Примечание. Мощность установки без учета мощности измельчающего механизма. ОМЧ исходное – 1,2 млн КОЕ/г. | ||||
Рис. 2. Двумерные сечения и поверхности откликов в программе Statistics 17.
Получены регрессионные модели и эффективные режимы термообработки непищевых отходов убоя животных в СВЧ установке с комбинированным резонатором.
ΔТ = 140,33-132 х1-0,24х2+118х12+0,54х1 х2-0,0007х22, (3)
Q = 40+76,67 х1-0,8х2-0,33х1 х2-0,003х22,
D = 0,251-0,26х1-0,0004х2+0,04 х12+0,001 х1 х2,
W = 0,253+1,35 х1-0,0012х2-0,17 х12-0,006х1 х2.
Из анализа уравнений выявлены такие режимы работы установки, которые обеспечивают минимум удельных энергетических затрат на производство белкового корма из непищевых отходов животного происхождения и максимум снижения микробиологической обсемененности продукта. Рациональные режимы: масса единовременной загрузки обезвоженного сырья в резонатор – 1,2 кг; продолжительность воздействия – 120-150 с; количество СВЧ генераторов –3 шт. При этом общее микробное число снижается с 1,2 млн до 0,5 млн КОЕ/г; производительность установки равна 36-40 кг/ч, температура нагрева достигает 80-90оС.
Об авторах
Г. В. Жданкин
Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева
Email: V_Storchevoy@mail.ru
кандидат экономических наук
Россия, МоскваВ. Ф. Сторчевой
Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева
Автор, ответственный за переписку.
Email: V_Storchevoy@mail.ru
доктор технических наук
Россия, МоскваГ. В. Новикова
Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева
Email: V_Storchevoy@mail.ru
доктор технических наук
Россия, МоскваП. М. Уманский
Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева
Email: V_Storchevoy@mail.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Жданкин Г.В., Зиганшин Б.Г., Белова М.В. Разработка многомодульной сверхвысокочастотной установки для термообработки сырья животного происхождения // Вестник Казанского ГАУ. – 2016. – № 4 (42). – С. 79–83.
- Жданкин Г.В., Новикова Г.В., Зиганшин Б.Г. Разработка рабочих камер сверхвысокочастотных установок для термообработки непищевых отходов мясного производства // Вестник Ижевской ГСХА. – 2017. – № 1(50). – С. 61–69.
- Жданкин Г.В., Сторчевой В.Ф., Зиганшин Б.Г., Новикова Г.В. Разработка и обоснование параметров многоярусной сверхвысокочастотной установки для термообработки влажного сырья в непрерывном режиме // Научная жизнь. – 2017. – №4. – С. 4-14.
- Бредихин С.А. Технологическое оборудование мясокомбинатов – М.: Колос, 2000. − 206 с.
- Белова М.В. Конструктивные особенности резонаторов сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья в поточном режиме // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2015. – № 4 (38) – С. 31-37.
- Стребков Д. С. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 4-е, перераб. и доп. – М., 2013. – 584 с.
- Толмачева Т.А. Влияние СВЧ-поля на микрофлору и качественные показатели сухофруктов: дис. канд. биол. наук. – Красноярск, 2004. – 136 с.
- Уездный Н.Т. СВЧ установка для термообработки крови убойных животных. Автореферат дис. канд. тех. наук. – М.: ВИЭСХ. − 2013. – 20 с.
- Новикова Г.В. Разработка радиоволновых установок для переработки мясокостных отходов. // Научное обозрение ЗАО «АЛКОР». – 2016. – № 18. – С 56-60.
- Орлов В.В., Алферов А.С. Перспективы применения микроволновой обработки жидких пищевых продуктов // НИУИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». – 2006. – № 2 (2).
- Михайлова,О.В., Белова М.В., Белов А.А., Новикова, Г.В. Ершова И.Г.. Патент № 2581224 РФ, МПК. С11В1/12. Центробежная установка для термообработки жиросодержащего сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. – № 2014150840/20 (081472); заявл. 17.12.2014. Бюл. № 11 от 20.04.2016. – 11 с.
- Белова М.В., Белов А.А., Новикова Г.В., Михайлова О.В., Ершова. И.Г. Патент № 2505355 РФ, МПК С11В1/12. Сверхвысокочастотная установка для выделения расплавленного жира из жиросодержащего сырья. Бюл. № 35 от 20.12.2016. – 15 с.
- Сторчевой В.Ф., Жданкин Г.В., Новикова Г.В. Разработка и обоснование сверхвысокочастотной установки для термопераработки непищевых отходов убоя и переработки птиц и животных. // Научная жизнь. – 2016. – № 11. – С. 17-23.
- Новикова Г.В., Жданкин Г.В., Михайлова О.В., Белов А.А. Анализ разработанных сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2016. – № 4 (42). – С. 89-93.
- Новикова Г.В., Жданкин Г.В., Михайлова О.В., Белов А.А. Анализ разработанных сверхвысокочастотных установок для термообработки сырья // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2016. – № 4 (42). – С. 89-93.
- Жданкин Г.В., Сторчевой В.Ф., Новикова Г.В. Сверхвысокочастотная установка для термообработки непищевых отходов убоя животных в непрерывном режиме // Патент на изобретение №2671712 0т 06.11.2018 г.- 15 с.
- Жданкин Г.В., Сторчевой В.Ф., Новикова Г.В., Белова М.В. Сверхвысокочастотная установка с ячеистыми барабанами для термообработки непищевых отходов убоя животных // Патент на изобретение № 2671714 от 06.11.2018 г.–16 с.
- Белова М.В., Зиганшин Б.Г., Федорова А.Н., Поручиков Д.В. Объемные резонаторы СВЧ генератора для термообработки сырья в поточном режиме // Естественные и технические науки. – 2015. – № 1. – С.121-123.
- Жданкин Г.В., Михайлова О.В., Семенов В.Г. Microwave installation with conical resonators for the heat treatment of inedible meat wastes /Микроволновые установки с коническими резонаторами для термообработки непищевых мясных отходов // Of the National academy of sciences of the republic of Kazakhstan (Series of geology and technical sciences) / Известия Национальной академии наук Республики Казахстан (серия геологии и технических наук).- –2018. –V. 2. – N. 428 .– Р. 44-54.
Дополнительные файлы
