Ярусная хмелесушилка с источниками диэлектрического и конвективного нагрева Российский патент 2023 года по МПК C12C3/02 A23N12/08 F26B3/02 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в хмелеводческих хозяйствах для поэтапной сушки свежеубранного хмеля в непрерывном режиме с сохранением потребительских свойств.

Свежеубранные шишки хмеля содержат 76-82% влаги. Известно, что при температуре 110°С в течение часа окисляется 68% альфа-кислоты, 59% бета-кислоты, а 80-90% эфирных масел улетучиваются. Поэтому к технологии сушки хмеля предъявляются жесткие требования.

Из существующих устройств сушки хмеля наибольшее распространение получили хмелесушилки, основанные на конвективном способе сушки, например хмелесушилка ПХБ-750, Чешского производств, хмелесушилка ХС-400. Но биохимический анализ показывает, что конвективный способ сушки не в полной мере обеспечивает сохранение потребительских свойств шишек хмеля из-за неравномерного нагрева по сечению шишек. Градиент температуры направленный от поверхности к центру шишек оказывают противодействие градиенту влажности, направленному от центра шишки к периферии. Из-за этого шишки высушенного хмеля имеют неравномерный окрас золотисто-зеленоватого оттенка, а смятые и раздробленные шишки хмеля превышают 15% массы. К тому же эффективность сушки хмеля конвективным способом зависит от влагопоглотительной способности атмосферного воздуха. Даже при благоприятных условиях качество сушки остается низким из-за неравномерности сушки хмеля, связанные с неоднородностью шишки, неравномерностью толщины слоя хмеля и неравномерным распределением нагретого воздуха в камере. Энергетические затраты на единицу продукции остаются высокими, а из-за нарушения технологии сушки до 40% первосортного хмеля переходит во второй сорт [1].

Поэтому разработка техники и реализация интенсивной технологии сушки хмеля с источниками диэлектрического и конвективного нагрева, позволяющими за счет избирательного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (2450 МГц, длина волны 12,24 см) повысить равномерность сушки, актуальна.

В такой сушилке рабочими органами являются резонаторы. Особый интерес представляют резонаторы с малыми потерями энергии за период колебания относительно запасенной в системе энергии. Важным является значение, характеризующее произведение собственной добротности резонатора на резонансную частоту колебания. Известно, что у микроволновых электромагнитных объемных резонаторов это значение достигает до 2-10 Гц на частоте 2450 МГц. Перспективными объемными резонаторами являются резонаторы с фокусирующими зеркалами из керамики и сапфира [2]

Известна СВЧ-конвективная хмелесушилка с эллиптическими тороидальными резонаторами [3, патент №2772987]. Она содержит последовательно расположенные в горизонтальной плоскости резонаторы с криволинейными поверхностями, состыкованные через керамические двояковыпуклые перфорированные плиты. От тепловой пушки подводится через воздуховоды к каждому резонатору конвективное тепло. Концентрация энергии электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшение потерь на излучение достигается благодаря применению двояковыпуклой керамической плиты. Недостатком является сложность конструкционных исполнений резонаторов.

Известна СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с полусферическим резонатором [4, патент №2770628]. Полусферический неферромагнитный резонатор состыкован с цилиндрической частью хмелесушилки соосно, к ее боковой поверхности пристыкованы воздуховоды с электрокалорифером. Полусферический резонатор разделен на зоны с помощью керамических перфорированных двояковыпуклых перегородок. Наверху резонатора установлены воздухоотводы от каждой зоны и бункер загрузки. Под бункером установлен диэлектрический распределитель. Недостатками являются сложности в поэтапном регулировании скорости нагрева и сушке свежеубранного хмеля.

Наиболее близкой по технической сущности является известная хмелесушилка с тороидальными и астроидальными резонаторами с энергоподводом в электромагнитном поле [5, патент №2772992]. Хмелесушилка содержит последовательно расположенные в вертикальной плоскости тороидальные резонаторы с чередованием астроидальных резонаторов с усеченными вершинами и керамическими двояковыпуклыми перфорированными дисками в середине.

Недостатки. Такое чередование резонаторов обеспечивает разную скорость нагрева и сушки хмеля с соблюдением определенной скважности технологического процесса, если согласовать высокой точностью толщину слоя, плотность сырья, скорость передвижения сырья, температуру нагрева сырья и воздуха в каждом резонаторе. Иначе, возникает сложность поддержания температурного режима, снижается равномерность сушки, что отражается на качестве обработанного хмеля.

Анализ известных технических решений показал, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала средств, используемых для поэтапной сушки свежеубранного хмеля в непрерывном режиме с сохранением потребительских свойств.

Техническим результатом изобретения - сохранение потребительских свойств хмеля при улучшении его микробиологических показателей.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата ярусная хмелесушилка с источниками диэлектрического и конвективного нагрева, содержит поярусно расположенные неферромагнитные резонаторы, выполненные в виде усеченных конусов с экспоненциальными образующими и вогнутыми основаниями, к которым соосно прикреплены вогнутые керамические зеркала, причем диаметры вогнутых оснований неферромагнитных резонаторов равны между собой и кратны половине длины волны, а длины резонаторов различны, постепенно уменьшаясь к нижнему ярусу, и аналогично кратны половине длины волны, внутри резонаторов соосно расположены диэлектрические винтовые шнеки с переменным шагом и диаметром, подключенные к индивидуальным электроприводам, при этом по периметру вогнутых оснований резонаторов со сдвигом на 120 градусов размещены волноводы с магнетронами воздушного охлаждения, кроме того к каждому резонатору со стороны вогнутых оснований подведены неферромагнитные воздуховоды от индивидуальных тепловых пушек, а со стороны усеченных частей резонаторов прикреплены воздухоотводы-запредельные волноводы, перекрытые неферромагнитными мелкоячеистыми сетками, при этом над верхним и под нижним резонаторами установлены шлюзовые затворы с электроприводами.

Основными критериями при конструировании хмелесушилки с источниками диэлектрического и конвективного нагрева являются трехэтапная сушка хмеля в непрерывно-поточном режиме работы с обеспечением разного температурного режима и разной напряженности электрического поля в резонаторах и электромагнитной безопасности без дополнительного экранирующего корпуса при использовании магнетронов воздушного охлаждения. Хмелесушилка содержит поярусно расположенные

металлодиэлектрические резонаторы в виде усеченных конусов с экспоненциальной образующей, внутри которых загруженное через шлюзовые затворы сырье транспортируется с помощью винтовых шнеков с переменным шагом и изменяющимся диаметром винтов.

Конструкционное исполнение резонаторов, обеспечивает возбуждение только определенных видов колебаний и высокую напряженность электрического поля и электромагнитную безопасность при непрерывном режиме работы сушилки с источниками диэлектрического и конвективного нагрева.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:

фиг. 1 - пространственное изображение ярусной хмелесушилки с источниками диэлектрического и конвективного нагрева, общий вид;

фиг. 2 - изображение технологического процесса движения сырья через объемные резонаторы;

фиг. 3 - пространственное изображение ярусной хмелесушилки с источниками диэлектрического и конвективного нагрева, общий вид в разрезе с позициями;

фиг. 4 - пространственное изображение отдельных элементов первого яруса хмелесушилки;

фиг. 5 - пространственное изображение отдельных элементов второго яруса хмелесушилки;

фиг. 6 - пространственное изображение отдельных элементов третьего яруса хмелесушилки.

Ярусная хмелесушилка с источниками диэлектрического и конвективного нагрева содержит (фиг. 1, 2):

- электропривод первого диэлектрического шнека 1;

- шлюзовой затвор 2 с электроприводом роторного питателя и загрузочной емкостью;

- керамическое вогнутое зеркало 3 в первом резонаторе;

- первый неферромагнитный (алюминий, медь) резонатор 4 с экспоненциальной образующей;

- магнетроны 5 воздушного охлаждения с волноводами на первом резонаторе 4;

- диэлектрический (фторопластовый) шнек 6 внутри первого резонатора 4;

- неферромагнитный воздуховод 7 в первый резонатор 4;

- воздухоотвод-запредельный волновод 8 от первого резонатора, перекрытый неферромагнитной мелкоячеистой сеткой;

- неферромагнитный перфорированный переходник 9;

- второй неферромагнитный резонатор 10 с экспоненциальной образующей;

- керамическое вогнутое зеркало 11 во втором резонаторе;

- неферромагнитный воздуховод 12 во второй резонатор 10;

- диэлектрический шнек 13 во втором резонаторе 10;

- электропривод второго диэлектрического шнека 14;

- магнетроны с волноводами 15 на втором резонаторе 10;

- воздухоотвод-запредельный волновод 16 от второго резонатора, перекрытый неферромагнитной мелкоячеистой сеткой;

- неферромагнитный перфорированный переходник 17 между вторым 10 и третьим 18 резонаторами;

- неферромагнитный третий резонатор 18;

- керамическое вогнутое зеркало 19 в третьем резонаторе;

- электропривод третьего диэлектрического шнека 20;

- неферромагнитный воздуховод 21 в третий резонатор 18;

- магнетроны 22 воздушного охлаждения с волноводами на третьем резонаторе 18;

- воздухоотвод-запредельный волновод, перекрытый неферромагнитной мелкоячеистой сеткой 23 от третьего резонатора;

- диэлектрический шнек 24 в третьем резонаторе 18;

- неферромагнитный перфорированный переходник 25;

- шлюзовой затвор (роторный питатель) 26;

- тепловые пушки электрические 28 для соответствующих резонаторов 4, 10, 18.

Ярусная хмелесушилка с источниками диэлектрического и конвективного нагрева собрана из трех ярусно установленных секций (фиг. 1-5). Каждый ярус (фиг. 3, 4, 5) состоит из неферромагнитного резонатора (4, 10, 18) в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей и вогнутым основанием большого диаметра, на который соосно прикреплено керамическое вогнутое зеркало (3, 11, 19). Причем диаметры вогнутых оснований всех резонаторов равны между собой и кратны половине длины волны, а длины каждого резонатора разные, но кратны половине длины волны. Длина резонатора второго яруса меньше, чем резонатора первого яруса, но больше длины резонатора третьего яруса.

Каждый резонатор усечен на уровне критического сечения, на значительном расстоянии от вершин конуса, практически не нарушая структуры электромагнитного поля, а это позволяет создавать отверстия для передвижения сырья в другой резонатор через соответствующие переходники. Размеры резонаторов подобраны таким образом, чтобы в сужающихся частях возникли условия отсечки для высших типов колебаний волн. Вследствие чего в резонаторах такого конструкционного исполнения создаются условия для возникновения резонансных колебаний за счет переотражений электромагнитных волн высших порядков от критических сечений [6]. Диаметры вогнутых оснований резонаторов равны между собой и кратны половине длины волны. Длины резонаторов по ярусом уменьшены, но кратны половине длины волны, т.е. самая короткая длина резонатора - это резонатора третьего яруса.

Внутри каждого неферромагнитного резонатора соосно установлены диэлектрические винтовые шнеки (6, 13, 24) с электроприводами (1, 14, 20). По периметру каждого вогнутого основания неферромагнитных резонаторов (4, 10, 18) со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами воздушного охлаждения (5, 15, 22). Приемная емкость со шлюзовым затвором 2 из неферромагнитного материала установлена на первый резонатор 4 со стороны вогнутого основания. Неферромагнитный шлюзовой затвор 26 для выгрузки установлен под третьим резонатором в неферромагнитном переходнике 25. Между неферромагнитными резонаторами (4, 10, 18) имеются неферромагнитные переходники (9, 17). К каждому резонатору со стороны вогнутого основания подведены неферромагнитные воздуховоды (7, 12, 21) от индивидуальных тепловых пушек (28). Со стороны усеченной части резонаторов прикреплены воздухоотводы-запредельные волноводы (8, 16, 23) закрытые неферромагнитными мелкоячеистыми сетками. Длина второго резонатора больше третьего, но меньше первого резонатора. Сечение каждого резонатора изменяется по экспоненциальному закону. Причем значение экспоненты второго резонатора больше чем первого резонатора, но меньше, чем третьего резонатора. Экспоненты образующих резонаторов в каждом ярусе выше предыдущего резонатора. Хмелесушилка снабжена контрольно-измерительной техникой, датчиками влажности и температуры воздуха и сырья, в том числе прибором для контролирования мощности потока излучений. Допустимая мощность излучений - 10 мкВт/см², при превышении которой следует сократить продолжительность работы обслуживающего персонала.

Исследования показали, что сушилка должна обеспечить поэтапное снятие влаги из шишек хмеля, находящихся в поярусно расположенных резонаторах, например в трех резонаторах 4, 10, 18. Первый этап сушки осуществляется при напряженности электрического поля 0,8-1,0 кВ/см и температуре агента сушки 31-35°С. Второй этап сушки происходит при напряженности электрического поля 1,0-1,5 кВ/см и температуре агента сушки 37-46°С, третий этап сушки - при напряженности электрического поля 1,5-2,2 кВ/см и температуре агента сушки 65-75°С. Для реализации такого технологического режима сушки предусмотрены возможности регулирования:

- продолжительности нагрева в каждом резонаторе путем изменения частоты вращения соответствующих электродвигателей (1, 14, 20);

- производительности и мощности нагревательных элементов (ТЭН) соответствующих тепловых пушек 28;

- объема загрузки сырья в резонатор с изменением частоты вращения роторных питателей шлюзовых затворов 2, 26;

- мощности СВЧ генераторов 5, 15, 22.

- удельной мощности генератора, как отношение мощности генераторов к объему загрузки сырья в резонатор, и т.п.

Соответствующая высокая напряженность электрического поля в каждом резонаторе обеспечивается за счет интерференции концентрированных когерентных волн от керамических зеркал, обладающих малым значением тангенса угла диэлектрических потерь, а также из-за уменьшения поперечного сечения каждого резонатора по экспоненте, но разными значениями экспоненты.

Технологический процесс сушки свежеубранного хмеля.

Включить все электрические тепловые пушки 28 на соответствующие производительности и мощности нагревательных элементов.

Включить электроприводы шнеков в следующей последовательности: третьего 20 (нижнего), второго 14, первого (верхнего) 1 шнеков. Частота вращения каждого мотора-редуктора разная, в пределах 0,25-1 об/мин, в зависимости яруса. Обеспечить температуру сушильного воздуха на первом этапе сушки не более 31-35°С. Загрузить загрузочную емкость свежеубранным хмелем и включить шлюзовой затвор 2, обеспечивающий дозированную подачу сырья в первый резонатор 4. После того как сырье с помощью первого диэлектрического шнека 6 начинает перемещаться внутри первого резонатора 4, включить магнетроны 5 первого резонатора для возбуждения в нем электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Волны за счет вогнутого керамического зеркала 3 концентрируются, и сырье в процессе перемещения вдоль резонатора подвергается воздействию ЭМПСВЧ. Под воздействием ЭМПСВЧ шишки хмеля эндогенно нагреваются равномерно по всему сечению, так как глубина проникновения волны соизмерима с размерами шишек хмеля. В связи с тем, что шаг винта разный и менее две глубины проникновения волны (5-6 см) в хмель, поэтому сырье уплотняется и по толщине также равномерно нагревается. В процессе перемещения вдоль резонатора 4 с помощью витков шнека с переменными диаметром и шагом эндогенно нагретые шишки хмеля продувается теплым воздухом, поступающим через воздуховод 7 от соответствующей тепловой пушки 28. В связи с тем, что при диэлектрическом нагреве градиенты температуры, влажности и давления направлены с центра к периферии шишек, поэтому выделенная влага с поверхности удаляется воздухом.

Отработанный влажный воздух уходит через воздухоотвод-запредельный волновод 8 и через перфорацию переходника 9. Скорость перемещения сырья через резонатор, следовательно, продолжительность воздействия ЭМПСВЧ регулируется частотой вращения электродвигателя 1. Далее нагретое сырье до необходимой температуры просыпается через перфорированный переходник 9, где отсутствует излучение, так как резонатор усечен на уровне критического сечения, следовательно, волны отражаются от поверхности и направляются внутрь резонатора. Критическое сечение зависит от длины резонатора и показателя экспоненты (угла наклона) образующей. Показатель экспоненты второго резонатора выше, чем у первого, поэтому критическое сечение второго резонатора будет на уровне меньшей длины, т.е. длина второго резонатора меньше, чем длина первого резонатора, но больше, чем длина третьего резонатора.

Далее сырье через переходник 9 попадает во второй резонатор 10, захватывается с помощью шнека 13, и тогда следует включить генераторы 15 на втором резонаторе 10. Частота вращения шнека 13 меньше, чем у шнека 1. В зауженной части резонатора высокая напряженность электрического поля, и температура сырья в конце шнека достигает до 46°С. После того как частично высушенные шишки хмеля через перфорированный переходник 17 попадают в третий резонатор 18, следует включить генераторы 22. Тогда под воздействием ЭМПСВЧ сырье избирательно нагревается, поверхностная влага удаляется через воздухоотвод-запредельный волновод 23, высушенный хмель до 10-11% выгружается с помощью роторного питателя 26 (шлюзового затвора) в приемную емкость 27.

В данном резонаторе напряженность электрического поля достигает до 1,5 - 2,2 кВ/см, температура нагрева сырья достигает до 65-75°С.

В перфорированных переходниках 9, 17, 25 влажность, температура выравниваются по сечению шишек хмеля.

Сушилка обеспечивает поэтапное снятие влаги из шишек хмеля, при передвижении через поярусно расположенные резонаторы 4, 10, 18. Таким образом, шишки хмеля подвергаются эндогенно-конвективному нагреву, высушиваются и выгружаются в приемную емкость 27. Во всех трех резонаторах доза воздействия ЭМПСВЧ, температура и напор подаваемого воздуха контролируются и регулируются в зависимости от влажности хмеля путем изменения мощности генераторов и нагревательных элементов, а также изменением частоты вращения электроприводов шнеков. При соблюдении эффективных режимов нагрева шишек хмеля разной скоростью в поярусно распложенных резонаторах, где возбуждено электрическое поле разной напряженности, сушка хмеля происходит в щадящем режиме, с сохранением потребительских характеристик и улучшением микробиологических показателей. Шлюзовые затворы, воздухоотводы-запредельные волноводы и правильный выбор критического сечения на резонаторе обеспечивают электромагнитную безопасность без дополнительного экранирующего корпуса. Керамические вогнутые зеркала снижают потери энергии.

Условия тепло- и массообмена при обдувании теплым воздухом зависит в первую очередь от параметров теплоносителя: температуры, скорости и относительной влажности.

Использование керамических вогнутых зеркал (сферическое зеркало - собирающееся зеркало), как части резонаторов позволяет поддерживать свободные электромагнитные колебания разных видов. Керамика обладает малыми тепловыми потерями, так как тангенс угла диэлектрических потерь всего 3-10°, следовательно, собственная добротность всех проектируемых резонаторов выше, чем без керамических зеркал. Концентрация энергии электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшение потерь на излучение достигается благодаря применению керамических вогнутых зеркал [7].

Хмелесушилка должна размещаться в отдельном помещении, отгороженном неферромагнитной сеткой и иметь пульт дистанционного управления.

Предложенная хмелесушилка обеспечивает сохранение потребительских свойств хмеля при улучшении его микробиологических показателей.

Источники информации:

1. Распоряжение №738-р об утверждении Концепции развития хмелеводства в Чувашской Республике на 2020-2025 годы. [Электронный ресурс]. Режим допуска: km.cap.ru>doc/laws/2020/08/20/disposal-738-r.

2. Егоров В.Н. Микроволновые диэлектрические резонаторы в физических измерениях. Автореферат дис. док. физико-математических наук, 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики. Иркутск: ФГУП ВНИИФТРИ, 2013, 40 с.

3. Патент №2772987 РФ, МПК С12С 3/02; F26B3. Многорезонаторная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле / Просвирякова М.В., Сторчевой В.Ф., Горячева Н.Г., Михайлова О.В., Новикова Г.В. / заявитель и патентообладатель РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (RU). №2021132821 от 11.11.2021. Бюл. №16 от 30 05.2022.

4. Патент №2770628 РФ, С12С 3/02; F26B3. СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с полусферическим резонатором / Просвирякова М.В., Сторчевой В.Ф., Горячева Н.Г., Новикова Г.В., Михайлова О.В., Зиганшин Б.Г. / заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). №2021136688 от 13.12.2021. Бюл. №И от 19.04.2022.

5. Патент №2772992 РФ, С12СЗ/02; F26B3. Хмелесушилка с тороидальными и астроидальными резонаторами с энергоподводом в электромагнитном поле / Просвирякова М.В., Сторчевой В.Ф., Горячева Н.Г., Новикова Г.В., Михайлова О.В., Зиганшин Б.Г. / заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). №2021135280 от 01.12.2021. Бюл. №16 от 30.05.2022.

6. Дробахин О.О. Исследование возможности применения связанных биконических резонаторов для определения параметров диэлектрических материалов /О.О. Дробахин, Д.Ю. Салтыков // Прикладная радиоэлектроника, 2014, Том 13, №1. С. 64-68.

7. Диэлектрические резонаторы. Под редакцией М.Е. Ильченко. М.: Радио связь, 1989. 328 с.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Ярусная хмелесушилка с источниками диэлектрического и конвективного нагрева, характеризующаяся тем, что содержит поярусно расположенные неферромагнитные резонаторы, выполненные в виде усеченных конусов с экспоненциальными образующими и вогнутыми основаниями, к которым соосно прикреплены вогнутые керамические зеркала, причем диаметры вогнутых оснований неферромагнитных резонаторов равны между собой и кратны половине длины волны, а длины резонаторов различны, постепенно уменьшаясь к нижнему ярусу, и аналогично кратны половине длины волны, внутри резонаторов соосно расположены диэлектрические винтовые шнеки с индивидуальными электроприводами, при этом по периметру вогнутых оснований резонаторов со сдвигом на 120 градусов размещены волноводы с магнетронами воздушного охлаждения, кроме того к каждому резонатору со стороны вогнутых оснований подведены неферромагнитные воздуховоды от индивидуальных тепловых пушек, а со стороны усеченных частей резонаторов прикреплены воздухоотводы - запредельные волноводы, перекрытые неферромагнитными мелкоячеистыми сетками, при этом над верхним и под нижним резонаторами установлены шлюзовые затворы с электроприводами. Изобретение позволяет сохранить потребительские свойства хмеля при улучшении его микробиологических показателей. 6 ил.

Ярусная хмелесушилка с источниками диэлектрического и конвективного нагрева, характеризующаяся тем, что содержит поярусно расположенные неферромагнитные резонаторы, выполненные в виде усеченных конусов с экспоненциальными образующими и вогнутыми основаниями, к которым соосно прикреплены вогнутые керамические зеркала, причем диаметры вогнутых оснований неферромагнитных резонаторов равны между собой и кратны половине длины волны, а длины резонаторов различны, постепенно уменьшаясь к нижнему ярусу, и аналогично кратны половине длины волны, внутри резонаторов соосно расположены диэлектрические винтовые шнеки с индивидуальными электроприводами, при этом по периметру вогнутых оснований резонаторов со сдвигом на 120 градусов размещены волноводы с магнетронами воздушного охлаждения, кроме того к каждому резонатору со стороны вогнутых оснований подведены неферромагнитные воздуховоды от индивидуальных тепловых пушек, а со стороны усеченных частей резонаторов прикреплены воздухоотводы - запредельные волноводы, перекрытые неферромагнитными мелкоячеистыми сетками, при этом над верхним и под нижним резонаторами установлены шлюзовые затворы с электроприводами.