СПОСОБ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОБЛУЧЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК A61L2/08 

Изобретение относится к технологиям облучения сыпучих, жидких, газообразных и твердых, разделенных на прозрачные для излучения слои, материалов электромагнитным излучением и может быть использовано, например, для обеззараживания, изменения химического состава и физических параметров жидкостей, для изменения качества сельскохозяйственной продукции в основном или переработанном виде.

Известен способ обработки зерна пшеницы инфракрасным (ИК) излучением с целью сушки (И.Б.Левитин. Применение инфракрасной техники в народном хозяйстве. Л. Энергоиздат, Ленингр.отд-ние, 1981, 264 с. Описание этой и аналогичных технологий на с.158.163), при котором ИК источники располагают над слоем зерна на высоте, обеспечивающей энергетическую плотность по облучаемой поверхности 2,5 кВт/м².

Сквозь слой зерна продувается воздух с температурой 16 20^oC при скорости 0,01 м/с.

При таких условиях температура зерна составит 60^oC. а влажность через 35 минут снизится с 22 до 14%
Толщина слоя зерна в источнике не указана. Приведенные описания технологии ИК сушки семян подсолнечника, овощей, солода, фруктов и овощей имеют ту же технологическую схему, при которой облучаемый материал формируется в виде слоя, а облучатель располагается над ним. Облучаемый объем материала либо неподвижен в зоне облучения и через определенное время удаляется из нее, либо движется в зоне равномерного облучения в направлении, перпендикулярном направлению излучения.

Признаки, общие с заявляемым способом.

1. Материал формируют в виде слоя с образованием облучаемой поверхности.

2. Поток излучения направляют перпендикулярно облучаемой поверхности.

Недостатками данного способа являются:
1. Невозможность одновременного повышения равномерности облучения по толщине слоя (качества облучения) и снижения потерь энергии, определяемых прошедшим сквозь слой потоком излучения. Повышение равномерности облучения достигается уменьшением толщины слоя, снижение потерь энергии увеличением толщины.

Невозможность на одних и тех же технических средствах обрабатывать однородные материалы, но с различной поглощательной способностью.

Указанные недостатки убедительно иллюстрируются рис.5.12 указанного источника (с.159). Физическая закономерность ослабления из-за поглощения электромагнитного потока в материале приводит к тому, что эффект его воздействия снижается по глубине. На рис.5.12 в качестве первичного эффекта инфракрасного облучения представлено повышение температуры зерна (конечный ожидаемый эффект снижение влажности зерна). Очевидна неравномерность распределения температуры по толщине слоя 20 мм (примерно 6 зерен): даже через 2 мин облучения разница в температуре облучаемой поверхности слоя и противоположной достигает почти 30^oC, через 7 мин 60^oC, через 22 мин 75^oС. Также очевидно и то, что если облучать тонкий слой, то качество облучения (равномерность эффекта) повысится, но потери энергии возрастут, т.к. поток, который нагревал лежащий ниже новой границы слой зерна, теперь будет поглощаться подложкой.

Наиболее близкими аналогом к заявляемому способу является способ объемного облучения сыпучего материала (В.Н.Карпов, Фотометрические основы повышения эффективности использования электроэнергии в облучательных установках. Учебное пособие. Ленинградский СХИ. Л. 1984, с.22-27). В способе объемного облучения формируют поток падающего материала в виде цилиндра, у которого облучаемой является наружная поверхность. Облучатели располагают в виде кольца вокруг цилиндра материала, причем создают они сходящийся к оси цилиндра поток.

Радиус цилиндра определяют по функциональной зависимости, приведенной в источнике и учитывающей ослабление потока в материале за счет поглощения и увеличение его пространственной плотности за счет сходимости к оси цилиндра. Дозу облучения обеспечивают за счет времени пребывания материала в зоне облучения, определяемого скоростью падения частиц.

Признаки, общие с заявляемым способом.

1. Формируют поток облучаемого материала с образованием облучаемой поверхности.

2. Облучатели располагают в соответствии с пространственной конфигурацией облучаемой поверхности.

3. Дозу облучения обеспечивают временем нахождения материала в зоне облучения.

2. К недостаткам этого способа объемного облучения следует отнести:
1. Недостаточно высокое качество обработки материала из-за значительной неравномерности облучения по толщине и практическая невозможность его регулирования.

2. Малые значения расчетных диаметров цилиндров для большинства органических сред, что существенно снижает производительность установок, повышает их сложность и ограничивает практическую ценность метода.

3. Сложность изготовления облучателей, создают их сходящийся клиновидный поток и повышение потерь энергии, определяемое нарушением этого требования.

4. Невозможность обработки материалов с разными показателями поглощения в одной установке.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества обработки материала, уменьшение потерь энергии и обеспечение возможности обработки материалов с разными оптическими свойствами в одних и тех же технических средствах.

Поставленная задача решается реализацией предлагаемого способа объемного электромагнитного облучения поглощающих сред, в котором формируют поток облучаемого материала, облучатели располагают в соответствии с пространственной конфигурацией его поверхности, а дозу облучения обеспечивают временем нахождения материала в зоне облучения, при этом облученный материал удаляют из зоны облучения последовательными параллельными облучаемой поверхности слоями, причем частота удаления слоев определяется по формуле:

где f частота удаления слоев из зоны облучения;
Φ полный поток, падающий на облучаемую поверхность и поглощаемый объемом облучаемого материала;
Q_н энергия излучения, которая должна быть передана слою (доза облучения слоя);
n число слоев на глубине проникновения потока в материал.

Новые существенные признаки:
1. Облученный материал удаляют из зоны облучения последовательными, параллельным облучаемой поверхности слоями.

2. Частота удаления слоев определяется по формуле
где f частота удаления слоев из зоны облучения;
Φ полный поток, падающий на облучаемую поверхность и поглощаемый объемом облучаемого материала;
Q_н энергия излучения, которая должна быть передана слою (доза облучения слоя);
n число слоев на глубине проникновения потока в материал.

Предлагаемый способ позволяет повысить качество облучения за счет послойного удаления материала из зоны облучения.

Под качеством облучения имеется в виду мера одинаковости полученного в результате облучения эффекта во всем объеме облученного материала.

В качестве такой меры используют соотношение максимальной и минимальной численных характеристик эффекта на границах слоя (например, количество оставшихся в живых бактерий в локальном объеме при обеззараживании, влажность зерна при сушке, концентрация образовавшихся химических веществ при фотохимическом процессе, масса образовавшего биологического вещества при фотобиологических реакциях и др.).

Как правило, это соотношение соответствует соотношению максимальной и минимальной облученностей в границах облучаемого объема, которое при высококачественном процессе облучения должно стремиться к единице. Наибольшая облученность имеет место на облучаемой поверхности, но значение облученности в материале монотонно убывает с увеличением глубины из-за поглощения потока.

Предлагаемый способ предполагает расчет высоты верхнего снимаемого слоя и частоты его снятия при условии, что диапазон значений конечного эффекта в снимаемом объеме материала будет соответствовать требованиям, а весь облученный материал не будет содержать локальных объемов с недопустимым значением эффекта.

Достижение такого эффекта в обычных способах сопровождается большими потерями и удельным перерасходом энергии. Рис.5.12 упомянутой книги Б.И.Левитина, например, позволяет определить графически толщину верхнего снимаемого слоя по заданным значениям максимальной и минимальной температур.

Очевидно, что это соотношение должно формироваться в верхнем слое зерна, нижняя граница которого должна соответствовать допустимому минимальному значению температуры (влажности). Равномерность облучения в предлагаемом способе (следовательно, толщина слоя) является определяющим параметром качества, поскольку время облучения одинаково для каждого снимаемого слоя (обратная величина частоты) и определяется по величине заданной энергии поглощения. Снижение потерь энергии в предлагаемом способе обеспечено тем, что общая толщина облучаемого материала превышает глубину проникновения потока. Этим приемом, предусмотренным вторым признаком, исключается проникновение потока сквозь материал, что сводит к нулю этот вид потерь энергии. Каждый слой набирает энергию излучения дозами, возрастающими при каждом снятии поверхностного слоя. При этом величина поглощаемой слоем энергии возрастает за счет увеличения потока.

Предлагаемый способ дает возможность применять одно и то же устройство для облучения разных материалов, поскольку технологические требования к качеству облучения каждого из них могут быть удовлетворены путем установки соответствующей толщины слоя и частоты его снятия.

На фиг.1 схематично изображен пример устройства реализации способа объемного электромагнитного облучения жидких или сыпучих поглощающих сред. Устройство содержит бункер 1, облучатель 2, облучаемый материал 3. На фиг.1 обозначены F_o поток, падающий на облучаемую поверхность, h_i высота снимаемого слоя, h полная глубина проникновения потока в облучаемый материал.

На фиг.2 представлены расчетные графики зависимости обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением при трех направлениях ее перемещения относительно облучающего ультрафиолетового потока;
4 традиционный способ обеззараживания при неподвижной воде или при перемещении поперек потока облучения (при постоянном градиенте облученности);
5 при перемещении слоев сверху вниз в направлении уменьшения градиента облученности; Ослабление УФ потока в воде подчинено закону Бугера
Φ = Φ_oe^-ah
где Ф поток, прошедший сквозь слой высоты h;
Φ_o поток, падающий на облучаемую поверхность;
a показатель ослабления потока в воде (для воды из поверхностного источника а 0,2.0,3 1/см (Козинский В.А. с.152, табл.39).

Гибель бактерий при УФ облучении происходит в соответствии с закономерностью

где Б число бактерий, оставшихся в живых после облучения;
Б_о начальное количество бактерий;
E_б бактерицидная облученность;
H_б летальная доза облучения.

Для воды расчет ведется применительно к бактериям коли. Принимают Б₀ 1000 бактерий на литр, Б 3, (Колииндекс) (Козинский В.А. с.144. табл.33).

Определим высоту слоя h_i, для которой неравномерность облучения по высоте
0,8 = e^-0,2h ; h_i = 1,1 см
Общая глубина воды h, на которой УФ поток действует обеззараживающе, а сам поток ослабляется до 0,05 Ф_°
0,05 = e^-0,2h ; h = 15 см
Определяем число слоев на полной глубине n h/h_i 13, высота каждого 1,1 см, причем i 1 для верхнего слоя.

Приведем для сравнения расчет обеззараживания традиционным и предлагаемым способами.

Традиционный способ.

Определим доли пропущенного и поглощенного каждым слоем потока по формуле .

Определим частоту удаления верхнего слоя для предлагаемого способа с тем, чтобы рассчитать время облучения для традиционного способа. Причем, что направленный поток облучения создает на поверхности облученность .

Для заданной степени обеззараживания воды (Б/Б₀ 0,003) запишем

В этом выражении E•t представляет собой дозу облучения, которая обеспечивает требуемую степень обеззараживания, т.е. это произведение и является нормируемой дозой Q_н.

Для принятого значения получаем время облучения

Определяем число оставшихся в живых бактерий в намеченных слоях (снизу вверх) после облучения в течение 3,5 с традиционным способом (т.е.слои неподвижны), считая, что поверхность облучения равна 1 см² (это позволяет считать Е Ф_o на поверхности, а в толщине каждого слоя считать число оставшихся в живых бактерий зависящим от поглощенного потока ΔΦ,, а не от облученности). Т.е.

Учитывая, что ΔΦ_i= ΔΦ*i

•4;, t 3,5 с. Н_б 2,4 мбс, запишем

(сомножитель 5,81 в показателе степени был ранее точно определен через ln 0,003).

В верхнем слое традиционный способ не обеспечивает за 3,5 с нужный эффект обеззараживания (0,31>>0,003). Т.е. если бы поток воды толщиной в один слой перемещался горизонтально, то условная смена слоя должна была бы происходить реже, чем через 3,5 с, из-за потерь излучения.

Предлагаемый способ.

При перемещении слоя снизу вверх в облучаемом объеме в каждой позиции i им поглощается определенный поток ΔΦ_i. Для трех смежных слоев можно записать ΔΦ как разницу между падающим и прошедшим сквозь слой потоками:

Необходимо учесть, что Φ_{(i-1)прош.}= Φ_(i)пад,Φ_(i)прош = Φ_(i+1)пад .. Поэтому при сложении ΔΦ в правой части остается только сумма двух крайних слагаемых, т. е. SDF = Φ_(i-1)пад-Φ_{(i+1)прош.}. Для слоя, прошедшего все позиции от нижней до верхней и наоборот ΣΔΦ = Φ_o-O = Φ_o (где Φ_o поток, падающий на поверхность облучаемого объема). В каждой позиции за время t_c слой поглотит энергию t_c•ΔΦ. За полный цикл перемещения энергия будет равна . При правильной организации процесса облучения эта энергия должна иметь то значение, которое обеспечивает ожидаемый эффект облучения и которое должно быть равно нормируемому параметру Q_н. Т.о. должно соблюдаться условие Q_н= t_c•Φ_o. Отсюда частота снятия слоев .

Для принятых в примере параметров и для условия единичной поверхности определим частоту удаления верхнего слоя

Соответственно время облучения этого слоя в верхней позиции t_c1/f 3,45 c (в примере при прямом расчете t_c 3,5 c).

Эффект обеззараживания с учетом перемещения слоя вверх определяем в соответствии с выражением
Б*i

↑ = Б*i+1•Б_i
Значение Б*i+1/ показывает относительное количество оставшихся в живых бактерий в позиции i+1 за время пребывания в ней слоя в течение 3,5 с (значения Б*i заимствуются из предыдущего расчета, а Б*i+1 определяется в рассматриваемом примере).

Требуемый результат обеззараживания в удаляемом слое достигнут (т.к. 0,0031 ≃ 0,003) при рассчитанной частоте удаления слоев f 0,29 1/c.

При перемещении слоев сверху вниз, т.е. при удалении слоев в нижней части облучаемого объема, расчет выполняется аналогично.

Требуемый уровень обеззараживания также достигнут (0,0033 ≃ 0,003).

Результаты обеззараживания воды представлены на фиг.3. Кривые показывают преимущество предлагаемого способа, т.к. требуемый результат традиционным способом не достигнут (за то же время и при больших затратах энергии).

Использование: изобретение относится к агропромышленной технологии, в частности к способам искусственного облучения материалов, представляющих собой сельскохозяйственную продукцию или результат ее переработки. Сущность изобретения: для повышения качества обработки с одновременным уменьшением расход энергии и расширением технологических возможностей в способе объемного электромагнитного облучения поглощающих сред, в котором формируют поток облучаемого материала, облучатели располагают в соответствии с пространственной конфигурацией его поверхности, а дозу облучения обеспечивают временем нахождения материала в зоне облучения с последующим удалением облученной поглощающей среды, последнюю удаляют из зоны облучения последовательными, параллельными облучаемой поверхности слоями, причем частота удаляемых слоев определяется по формуле:

где f - частота удаления слоев из зоны облучения; Ф - поток, падающий на облучаемую поверхность и поглощаемый объемом облучаемого материала; Q_н - энергия излучения, которая должна быть передана слою (доза облучения слоя). 2 ил.

Способ объемного электромагнитного облучения поглощающих сред, в котором формируют поток облучаемого материала, облучатели располагают в соответствии с пространственной конфигурацией его поверхности, а дозу облучения обеспечивают временем нахождения материала в зоне облучения и производят последующее удаление облучаемого материала, отличающийся тем, что процесс удаления облучаемого материала из зоны облучения осуществляют последовательными параллельными облучаемой поверхности слоями, причем частота удаляемых слоев определяется по формуле

где f частота удаления слоев из зоны облучения, 1/c;
Φ поток, падающий на облучаемую поверхность и поглощаемый объектом облучаемого материала, ;
Q_н энергия излучения, которая должна быть передана слою (доза облучения слоя), ч