СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 1999 года по МПК G01N33/483 G01N22/00 

Описание патента на изобретение RU2126968C1

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве и может применяться в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

Известны способы определения характеристик с.-х. материалов и пищевых продуктов (Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. - М. : Агропромиздат, 1988.). Однако они не позволяют найти все характеристики, входящие в дифференциальное уравнение теплопроводности и граничные условия к нему, что в свою очередь затрудняет определение технологических режимов обработки с.-х. материалов и пищевых продуктов.

Из известных технических решений наиболее близким по сущности является способ определения теплофизических свойств (см. а.с. СССР N 1286977, МКИ A 01 G 7/00, 1987 г.). Этот способ позволяет определить характеристики с.-х. материалов с помощью СВЧ-нагрева материала.

Однако существующий способ не позволяет определить коэффициенты теплоотдачи, объемной теплоемкости и теплопроводности. Кроме того, коэффициент температуропроводности определяется по сути дела по одной точке, что снижает его точность, а вычисление по нескольким значениям температуры весьма громоздко. Это приводит к неточности при расчете доз СВЧ-воздействия на биообъекты и определении необходимых технологических режимов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и информативности определения характеристик с.-х. материалов и пищевых продуктов.

В результате использования предлагаемого изобретения достигается определение необходимых характеристик для расчета доз СВЧ-воздействия на с.-х. материалы и пищевые продукты и других необходимых технологических параметров, необходимых для СВЧ-обработки.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что при воздействии на образец испытуемого материала электромагнитным полем высокой или сверхвысокой частоты информацию о теплофизических характеристиках получают, регистрируя изменения температуры в точках, расположенных внутри и на поверхности материала в зоне нагрева, и плотности теплового потока у поверхности образца после прекращения электромагнитного воздействия.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлены зависимости температуры (кривая 1) почвы от времени остывания и удельной плотности теплового потока (кривая 2) у поверхности почвы (компост N 5, состав в %: торф 20, суглинок 60, навоз 20; влагосодержание u = 22%, плотность 1200 кг/м3). Здесь t0=20oC, x1=0,02 м, x2=0,06 м.

Пример конкретного исполнения.

Образец почвы погружали в измерительную ячейку камеры опытной установки, которая содержит: СВЧ-генератор мощностью 0,5 кВт (2450 МГц), три термопары, тепломер, измеритель удельного теплового потока и измеритель температуры. Раскрыв рупорного излучателя расположен над образцом (почвой) и установлен на высоте 5 см над ее поверхностью. Установка позволяет измерять температуру в трех точках: на поверхности, на глубинах 0,02 и 0,06 м и удельную плотность теплового потока на поверхности материала непосредственно в зоне действия энергии поля. Ширина и длина образца почвы выбрана таким образом, чтобы энергия ЭМП СВЧ полностью поглощалась образцом и не происходило отражения электромагнитной волны от дна камеры. Измерительная ячейка камеры теплоизолирована от окружающей среды с помощью адиабатической оболочки. Термопары и тепломер установлены по одной линии перпендикулярно раскрыву излучателя. Выбранные конструктивные параметры измерительной установки и время СВЧ-воздействия позволяют считать исследуемый образец материала полубесконечной средой. На измерительной установке были сняты зависимости температуры и удельного теплового потока от времени для почвы (см. чертеж).

Система уравнений для определения характеристик a, λ, cρ имеет вид

Из системы (1) видно, что для определения теплофизических характеристик необходимо на стадии остывания материала получить экспериментальные зависимости t(0,τ) = f(τ), q(τ) = f(τ). Зависимость температуры поверхности материала достаточно точно может быть описана первым уравнением системы (1). Зависимость удельного теплового потока от времени можно снять, например с помощью тепломера с измерителем теплового потока ИПТ-9.

Алгоритм определения следующий: вначале путем аппроксимации полиномом второго порядка экспериментальной зависимости t(0,τ) = f(τ) получим коэффициенты c0, c1, и c2; после чего находим коэффициент функции начального распределения температуры k1 на стадии остывания материала; затем рассчитываем значения коэффициентов температуропроводности a и критерия Био Bi, для определения коэффициента теплопроводности λ по уравнению теплоотдачи вычисляем коэффициент теплоотдачи α и в заключение - объемную теплоемкость материала cρ.
Пример численного определения теплофизических характеристик (a, α, λ, cρ)
1. Экспериментальную кривую 1 функции температуры от времени на стадии остывания аппроксимируем полиномом второй степени, который примет вид

откуда c0=tn=50,38oC, при tc=20oC, c1=0,42327, c2=0,00362.

2. Из начальных условий x > 0 по экспериментальной зависимости температуры от времени в начале стадии остывания (или конце стадии СВЧ-нагрева) находим tn и k1 по результатам измерения температуры в материале с координатами x1 и x2. Коэффициент функции начального распределения температуры k1 определяем по формуле

3. Температуропроводность а находим из системы (1) с учетом экспериментальной зависимости температуры от времени на стадии остывания и ее аппроксимации согласно п.1, тогда

Критерий (число) Bi определяем из системы уравнений (1) по выражению

5. Коэффициент теплоотдачи α для точки с мгновенным значением времени τ = 210 c) находим из уравнения теплоотдачи

6. Коэффициент теплопроводности λ вычисляем по соотношению

7. Объемную теплоемкость, cρ определяем по уравнению

Сравнительный анализ экспериментальных данных, полученных по новому способу и по известному способу (классической методике Чернышенко В.Г., Фоломеев В.А., Гарбуз В.М. Теплофизические характеристики тепличных почв. - Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1979, N 2, стр. 19-20. ) для тепличной почвы (компост N 5), показывает их хорошую сопоставимость. Результаты представлены в таблице.

Предложен комплексный способ определения теплофизических характеристик (a, α, λ, cρ) после СВЧ-обработки, которые с учетом электрофизических характеристик (k, W), позволяет описывать как стадию СВЧ-нагрева так и последующего остывания в широком диапазоне изменения температуры и влажности для сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов.

Похожие патенты RU2126968C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ-ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ 1997
  • Шарков Г.А.
RU2127432C1
УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ОБОГРЕВА ПРИ НАПОЛЬНОМ СОДЕРЖАНИИ ПТИЦЫ И ЖИВОТНЫХ 2000
  • Лебедев Д.П.
  • Бородин И.Ф.
  • Самсонов И.С.
RU2169461C1
СПОСОБ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 2006
  • Чирков Владимир Григорьевич
  • Вайнштейн Эдуард Фридрихович
RU2314455C1
СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 1999
  • Мусин А.М.
  • Марьяхин Ф.Г.
  • Ходырев В.М.
  • Ерков А.А.
RU2164051C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГРЕНЫ ТУТОВОГО ШЕЛКОПРЯДА 1997
  • Шарков Г.А.
  • Платунов С.В.
RU2127045C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Антонов Борис Игоревич
  • Обухов Владимир Васильевич
  • Парфирьев Андрей Владимирович
  • Ищук Игорь Николаевич
  • Попело Владимир Дмитриевич
RU2544891C1
Микроволновый способ определения теплофизических характеристик многослойных конструкций и изделий 2020
  • Мордасов Сергей Анатольевич
  • Негуляева Анастасия Петровна
  • Чернышов Владимир Николаевич
RU2744606C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЛИНЕЙНОГО ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛОТЫ 2015
  • Пономарев Сергей Васильевич
  • Буланова Валентина Олеговна
  • Дивин Александр Георгиевич
  • Буланов Евгений Владимирович
  • Шишкина Галина Викторовна
RU2613194C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Антонов Борис Игоревич
  • Обухов Владимир Васильевич
  • Парфирьев Андрей Владимирович
  • Ищук Игорь Николаевич
  • Ворсин Иван Владиславович
RU2544890C1
СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2006
  • Короткий Игорь Алексеевич
  • Бахтин Николай Александрович
  • Ибрагимов Максим Исмагилович
  • Николаева Евгения Анатольевна
RU2329492C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 126 968 C1

Реферат патента 1999 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве. Техническим результатом изобретения является повышение точности и информативности определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов. Данный результат достигается тем, что при воздействии на образец испытуемого материала электромагнитным полем высокой или сверхвысокой частоты информацию о теплофизических характеристиках получают, регистрируя изменения температуры в точках, расположенных внутри и на поверхности материала в зоне нагрева, и плотности теплового потока у поверхности образца после прекращения электромагнитного воздействия. 1 табл., 1 ил.

Формула изобретения RU 2 126 968 C1

Способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, заключающийся в том, что образец нагревают, воздействуя на него энергией электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в направлении от поверхности в глубину образца, а после прекращения действия поля скачкообразно изменяют температуру поверхности, поддерживая ее постоянной, и регистрируют изменение температуры образца во времени на стадии остывания, на основании чего судят о теплофизических свойствах образца, отличающийся тем, что после прекращения воздействия электромагнитного поля регистрируют вначале температуру объекта в зоне нагрева на двух глубинах, а затем изменение во времени у поверхности образца температуры и плотности теплового потока.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1999 года RU2126968C1

Способ определения теплофизических свойств 1984
  • Бородин Иван Федорович
  • Рудобашта Станислав Павлович
  • Шарков Геннадий Александрович
  • Карташов Эдуард Михайлович
SU1286977A1
Рогов И.А
Электрофизические методы обработки пищевых продуктов
- М.: Агропромиздат, 1988
Бородин И.Ф
и др
Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве
- М.: ВНИИТЭИагропром, 1987, сю32 - 42
Шкабыдова Р.А
Исследование электрофизических свойств молока в электромагнитном поле СВЧ, автореферат диссертации на соискание звания кандидата технических наук
- М.: ВНИИМП, 1977
Шарков Г.А., Горелов В.В
Использование СВЧ-энергии для обработки почвы, Сборник научных трудов
- М.: МНИСП, 1981, т.17, вып.5, с.116 - 119.

RU 2 126 968 C1

Авторы

Шарков Г.А.

Рудобашта С.П.

Харьков А.В.

Даты

1999-02-27Публикация

1997-12-23Подача