Секционная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты Российский патент 2023 года по МПК C12C3/02 A23N12/08 F26B3/347 

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. Известная технология сушки хмеля конвективным способом (сушилка ХС-400) реализовывается в хмелесушилках, где удельные энергетические затраты остаются высокими, а из-за невозможности точно соблюдать технологию сушки, до 40% первосортного хмеля переходит во второй сорт [1].

Известны СВЧ-конвективные хмелесушилки непрерывно-поточного действия с магнетронами воздушного охлаждения:

- с эллиптическими тороидальными резонаторами [2, патент №2772987] и керамическими плитами которая содержит последовательно соединенные в горизонтальной плоскости через керамические двояковыпуклые перфорированные четырехгранные плиты П-образные тороидальные резонаторы, выполненные в виде соосно расположенных эллиптических цилиндров разной высоты, при этом с двух сторон последовательно соединенных тороидальных резонаторов установлены резонаторы треугольной призматической формы с вогнутыми верхними гранями.

- с полусферическим резонатором и керамическим элементом [3, 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.

- с тороидальными и астроидальными резонаторами [4, патент №2772992] и керамическими дисками. Резонаторы последовательно расположены в вертикальной плоскости, установлены с чередованием с резонаторами в виде астроид, имеющих усеченные вершины, внутри которых по вертикальной оси установлены керамические двояковыпуклые перфорированные диски.

- резонаторы в виде с параболоида и гиперболоида [5, патент №2774186] с вогнутыми боковыми поверхностями и диэлектрическими выпуклыми перфорированными общими основаниями которые последовательно состыкованы в горизонтальной плоскости.

Во всех перечисленных известных конструкциях хмелесушилок при сушке свежесобранного хмеля используются транспортирующие механизмы достаточно большой мощности, что увеличивает удельные энергетические затраты.

Из анализа известных аналогичных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала средств, обеспечивающих снижение энергетических затрат при сушке свежесобранного хмеля.

Технический результат изобретения - снижение энергетических затрат с сохранением потребительских характеристик высушенного хмеля за счет исключения электропривода конвейера в хмелесушилке.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата в устройстве предлагается транспортировать свежесобранный хмель через объемные резонаторы с самотеком, за счет согласования угла наклона и шага винта конвейера в соответствии с углом ската хмеля определенной влажности.

Секционная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты выполнена из стыкованных между собой коаксиальных резонаторов без кольцевых оснований, представленных в виде усеченных конусов с экспоненциальными образующими, внутри которых соосно установлены неферромагнитные перфорированные цилиндры с основаниями, на которые нанизаны соответствующие перфорированные керамические цилиндры без оснований с вогнутыми боковыми поверхностями, при этом в кольцевых объемах резонаторов установлен диэлектрический перфорированный бесприводной винтовой конвейер с убывающим шагом винтов и регулируемым углом их наклона, при этом перфорированные неферромагнитные винты служат основаниями поярусно расположенных резонаторов, кроме того через перфорированные неферромагнитные цилиндры проложены воздуховоды, а на наружные поверхности резонаторов со сдвигом на 120 градусов по спирали установлены волноводы с магнетронами и вентиляторами.

Хмелесушилка реализует как минимум трехэтапный процесс обезвоживания свежеубранного хмеля с разными режимами сушки, позволяющими сохранить его потребительские свойства. В связи с этим хмелесушилка выполнена с тремя рабочими камерами в виде объемных резонаторов с криволинейными поверхностями и керамическими элементами, позволяющими уменьшить потери на излучение и концентрировать энергию электромагнитных полей сверхвысокой частоты в объемах резонаторов. При этом важно, чтобы резонаторы обладали малыми потерями энергии за период колебания относительно запасенной в системе энергии и выполнены на основе диэлектрических материалов.

Основными критериями при конструировании хмелесушилки с источниками СВЧ энергии и конвективного тепла являются трехэтапная сушка хмеля в непрерывно-поточном режиме работы с обеспечением разного температурного режима и разной напряженности электрического поля в каждом резонаторе и электромагнитной безопасности без дополнительного экранирующего корпуса при использовании магнетронов воздушного охлаждения и без электропривода конвейера.

Секционная хмелесушилка с источниками СВЧ энергии и конвективного тепла должна обеспечить поэтапное снижение влажности хмеля в поярусно расположенных металлодиэлектрических резонаторах нестандартных конструкций, позволяющих снизить энергозатраты и сохранить потребительские показатели высушенного хмеля. Это возможно, если первый этап сушки осуществляется в резонаторе 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 таких щадящих режимов в хмелесушилке предусмотрены возможности регулирования:

- продолжительности диэлектрического нагрева в каждом резонаторе путем изменения угла наклона и шага фторопластовых винтов конвейера 4;

- 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.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:

фиг. 1 - пространственное изображение секционной хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, общий вид;

фиг. 2 - пространственное изображение секционной хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, общий вид в разрезе;

фиг. 3 - пространственное изображение секционной хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, общий вид в разрезе с позициями;

фиг. 4 - изображение технологического процесса движения сырья через объемные резонаторы хмелесушилки, с позициями;

фиг. 5 - пространственное изображение винтового конвейера с убывающим шагом и наклоном винтов и неферромагнитными винтами;

фиг. 6 - пространственное изображение перфорированного керамического цилиндра с вогнутой боковой поверхностью;

фиг. 7 - пространственное изображение перфорированного неферромагнитного цилиндра одной секции;

фиг. 8 - пространственное изображение собранных секционных усеченных конусов с крышкой и основанием.

Секционная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты содержит (фиг. 1-8):

загрузочную емкость 1;

шлюзовой затвор 2 с электроприводом;

крышку распределительной зоны 3;

диэлектрический перфорированный без приводной винтовой конвейер 4.

неферромагнитные перфорированные винты 5, 7, 9;

коаксиальные резонаторы 6, 8, 10 в виде усеченных конусов без кольцевых оснований соответствующих секций;

коническое неферромагнитное основание хмелесушилки 11;

шлюзовой затвор 12 из неферромагнитного материала с электроприводом роторного питателя;

воздуховоды 13, 14, 15 с индивидуальными тепловыми пушками 17;

перфорированные неферромагнитные цилиндры 16, 19, 22, с основаниями;

перфорированные керамические цилиндры с вогнутой боковой поверхностью 18, 20, 24, соответственно на третьем, втором и первом резонаторах;

воздухоотводы 17, 21, 25 от соответствующих резонаторов;

волноводы с магнетронами 23, от которых излучатели направлены в соответствующие резонаторы 6, 8, 10.

Трехзонная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (фиг. 3, 4) собрана из стыкованных между собой коаксиальных резонаторов (6, 8, 10) без кольцевых оснований, выполненных в виде усеченных конусов с экспоненциальными образующими (фиг. 1-5) и соосно расположенными перфорированными цилиндрами (16, 19, 22) с основаниями.

На неферромагнитные перфорированные цилиндры (16, 19, 22) насажены соответствующие перфорированные керамические цилиндры (17, 20, 24) с вогнутыми боковыми поверхностями. Т.е. в каждом коаксиальном резонаторе есть фторопластовые витки конвейера и перфорированные керамические цилиндры с вогнутыми боковыми поверхностями, поэтому резонатор относится к металлодиэлектрическим [6].

По периметру каждого резонаторов (6, 8, 10) со сдвигом на 120 градусов по спирали установлены волноводы с магнетронами 23 воздушного охлаждения и вентиляторами. Излучатели направлены в соответствующие резонаторы. Загрузочная емкость 1 со шлюзовым затвором 2 из неферромагнитного материала установлена над неферромагнитным винтом конвейера 4. Под последним неферромагнитным винтом конвейера установлено коническое неферромагнитное основание хмелесушилки, куда пристыкован неферромагнитный шлюзовой затвор 12 с электроприводом.

В каждый перфорированный неферромагнитный цилиндр (16, 19, 22), через их оснований, подведены соответствующие воздуховоды (13, 14, 15) от индивидуальных тепловых пушек 17. На поверхности каждого резонатора установлены соответствующие воздухоотводы (18, 21, 25).

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 диэлектрического нагрева хмеля в каждом резонаторе за счет разного угла наклона винтов и шага конвейера;

- частоты вращения электродвигателей шлюзовых дозаторов;

- параметров теплоносителя (температуры, скорости и относительной влажности воздуха);

- объема загрузки сырья в резонаторы с изменением частоты вращения роторных питателей шлюзовых затворов;

- мощности СВЧ генераторов.

Скорость сушки хмеля зависит от удельной мощности генераторов в каждом резонаторе и от параметров конвективного теплоносителя: температуры, скорости и относительной влажности воздуха.

Соответствующая высокая напряженность электрического поля в каждом резонаторе обеспечивается за счет интерференции концентрированных когерентных волн от керамических перфорированных цилиндров, обладающих малым значением тангенса угла диэлектрических потерь, а также за счет обоснованного поперечного сечения кольцевого промежутка в каждом резонаторе.

Работает устройство следующим образом.

Для реализации процесса сушки свежеубранного хмеля следует включить все электрические тепловые пушки 17 на соответствующие производительности и мощности нагревательных элементов. Включить электропривод шлюзового затвора 2, роторный питатель которого дозированно начинает загружать сырье на наклонные винты конвейера 4. Сырье перемещается по винтовой перфорированной поверхности, которые наклонены в соответствии с углом ската хмеля определенной влажности.

Включить СВЧ генераторы определенной мощностью на первом коаксиальном резонаторе 6, после чего сырье подвергается воздействию ЭМПСВЧ и нагревается эндогенно, поверхностная влага снимается теплым воздухом, поступающим через воздуховод 13 от тепловой пушки 17. Влажный воздух удаляется через воздухоотвод 18. Хмель далее перемещается по поверхности винта конвейера 4 и попадает во второй коаксиальный резонатор 8. Неферромагнитный винт 7 конвейера 4 отделяет второй резонатор 8 от первого резонатора 6, т.е. неферромагнитные перфорированные винты служат основаниями резонаторов в виде усеченных конусов с вогнутыми боковыми поверхностями. Во втором резонаторе 8 возбуждается электрическое поле напряженностью выше, чем в первом резонаторе 6, так как поперечное сечение кольцевого объема коаксиального второго резонатора 8 меньше чем поперечное сечение первого резонатора 6. Необходимую напряженность электрического поля можно регулировать мощностью генераторов. При диэлектрическом нагреве градиенты давления, температуры и влажности направлены с центра к периферии шишек хмеля. Поэтому из шишек хмеля выделяется связанная влага, которая с поверхности шишек удаляется конвективным способом через воздухоотвод 21. Далее частично высушенный хмель перемещается по перфорированным винтам конвейера 4 и попадает в третий коаксиальный резонатор 10, тогда включить генераторы на его поверхности. Высушенный хмель с перфорированного винтового конвейера 4 попадает в шлюзовой затвор 12 и выгружается. Шлюзовые затворы 2, 12 обеспечивают электромагнитную безопасность при непрерывно-поточном режиме работы хмелесушилки без дополнительного экранирующего корпуса. Электромагнитные волны за счет керамических перфорированных цилиндров с вогнутыми поверхностями в каждом резонаторе концентрируются, потери на излучение уменьшаются.

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 он по толщине равномерно нагревается. В процессе перемещения вдоль резонаторов с помощью перфорированных витков конвейера с переменными диаметром и шагом эндогенно нагретые шишки хмеля продувается теплым воздухом, поступающим через воздуховоды 13, 14, 15 от индивидуальных тепловых пушек 17.

Отработанный влажный воздух с каждой зоны уходит через воздухоотводы 18, 21, 25.

Высушенный хмель до 10-11% выгружается с помощью шлюзового затвора 12 в приемную емкость. 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.

При соблюдении эффективных режимов нагрева шишек хмеля разной скоростью в трех резонаторах при разных напряженностях электрического поля, хмель высыхает в щадящем режиме и с сохранением потребительских характеристик.

Керамические перфорированные цилиндры с вогнутыми боковыми поверхностями как части резонаторов позволяет поддерживать свободные электромагнитные колебания разных видов [6]. Собственная добротность резонаторов с керамическими перфорированными цилиндрами вогнутыми поверхностями выше, чем без них, т.е. КПД хмелесушилки выше. Хмелесушилка снабжена контрольно-измерительной аппаратурой, пультом дистанционного управления.

Удельные энергетические затраты за счет исключения электропривода конвейера в хмелесушилке предлагаемого конструкционного исполнения значительно ниже.

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. Патент №2772987 РФ, МПК С12С 3/02; F26B 3. 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).

3. Патент №2770628 РФ, С12С 3/02; F26B 3. 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).

4. Патент №2772992 РФ, С12С 3/02; F26B 3. 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).

5. Патент №2774186 РФ, МПК С12С 3/02; F26B 3. Хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева / Просвирякова М.В., Сторчевой В.Ф., Горячева Н.Г., Михайлова О.В., Новикова Г.В./ заявитель и патентообладатель РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева (RU).

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

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Секционная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты характеризуется тем, что хмелесушилка выполнена из стыкованных между собой коаксиальных резонаторов без кольцевых оснований, представленных в виде усеченных конусов с экспоненциальными образующими, внутри которых соосно установлены неферромагнитные перфорированные цилиндры с основаниями, на которые нанизаны соответствующие перфорированные керамические цилиндры без оснований с вогнутыми боковыми поверхностями, при этом в кольцевых объемах резонаторов установлен диэлектрический перфорированный бесприводной винтовой конвейер с убывающим шагом винтов и регулируемым углом их наклона, при этом перфорированные неферромагнитные винты служат основаниями поярусно расположенных резонаторов, кроме того, через перфорированные неферромагнитные цилиндры проложены воздуховоды, а на наружные поверхности резонаторов со сдвигом на 120 градусов по спирали установлены волноводы с магнетронами и вентиляторами. Изобретение позволяет снизить энергетические затраты с сохранением потребительских характеристик высушенного хмеля. 8 ил.

Секционная хмелесушилка с энергоподводом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, характеризующаяся тем, что хмелесушилка выполнена из стыкованных между собой коаксиальных резонаторов без кольцевых оснований, представленных в виде усеченных конусов с экспоненциальными образующими, внутри которых соосно установлены неферромагнитные перфорированные цилиндры с основаниями, на которые нанизаны соответствующие перфорированные керамические цилиндры без оснований с вогнутыми боковыми поверхностями, при этом в кольцевых объемах резонаторов установлен диэлектрический перфорированный бесприводной винтовой конвейер с убывающим шагом винтов и регулируемым углом их наклона, при этом перфорированные неферромагнитные винты служат основаниями поярусно расположенных резонаторов, кроме того, через перфорированные неферромагнитные цилиндры проложены воздуховоды, а на наружные поверхности резонаторов со сдвигом на 120 градусов по спирали установлены волноводы с магнетронами и вентиляторами.