СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами Российский патент 2023 года по МПК C12C3/02 A23N12/08 F26B15/18 F26B3/347 

Предлагаемое изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в хмелеводстве для поэтапной сушки свежеубранного хмеля в непрерывном режиме с сохранением потребительских свойств.

Известно, что при влажности шишек хмеля 70-80% наблюдается самосогревание и ухудшение качества сырья. При самосогревании происходит окисление горьких веществ, т.е. снижение в шишках содержания а - кислоты и мягких смол; испарение и окисление эфирных масел приводит к потере характерного хмелевого запаха.

Известно, что при неправильной сушке теряются товарные качества хмеля. Свежеубранный хмель не может храниться долго, поэтому он должен быть высушен в течение нескольких часов. Для сушки используют разные способы, в том числе ленточные сушилки непрерывного действия с автоматическим регулированием температуры и скорости лент в зависимости от влажности хмеля. Процесс обезвоживание происходит при температуре 40 - 65 градусов. Более высокая температура отрицательно влияет на качество хмеля. Известно, что при температуре 110°С в течение часа окисляется 68% альфа-кислоты, 59% бета-кислоты, а 80-90% эфирных масел улетучиваются.

Технология сушки хмеля в ленточной сушилке осуществляется следующим образом. Свежеубранный хмель, влажностью 76-82% распределяют слоем 1-1,5 м и вентилируют воздухом, подогретым за счет теплопотерь сушильных камер в течение 12-14 ч. Это на 25% сократит производственные площади для размещения хмеля на поярусно-расположенные сита. На верхнее сито загружают толщиной 12-14 см, где сохнет 40-100 мин в зависимости от исходной влажности. Далее ситовую раму поворачивают в вертикальное положение. Тогда шишки хмеля пересыпаются на сито нижнего яруса, и процесс сушки повторяется на последующих ярусах. Процесс сушки шишек одной загрузки на ситах разных ярусов 6-8 ч. Температура сушки 45-60 градусов при естественной тяге воздуха 0,1-0,15 м/с.

Сушка хмеля при температуре выше 65°С и применение принудительной циркуляции теплоносителя (0,6 м/с) резко увеличит производительность, но шишки хмеля очень легкие, хрупкие, при их перемещении легко отламываются чешуйки, и теряется лупулин. Влажный воздух непрерывно отводится, что позволяет уменьшить продолжительность сушки. Лепестки (6-7%) и шишка (10-12%) хмеля могут иметь разную влажность в конце процесса сушки. Для достижения однородности влаги в структуре, хмель помещают в специальный бункер. Влажность хмеля, предназначенного для хранения, не должна превышать 13%.

Технология сушки хмеля конвективным способом (сушилка ХС-400) реализовывается в хмелесушилках, где удельные энергетические затраты остаются высокими [1].

Поэтому разрабатывается хмелесушилка для реализации интенсивной технологии сушки хмеля с источниками сверхвысокочастотной энергии и конвективного тепла, позволяющими за счет избирательного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (2450 МГц, длина волны 12,24 см) повысить равномерность, снизить эксплуатационные затраты.

Известны СВЧ-конвективные хмелесушилки непрерывно-поточного действия с резонаторами разного конструкционного исполнения и с керамическими зеркалами, позволяющими концентрировать энергию электромагнитных полей сверхвысокой частоты в объемах резонаторов. Они описаны в патентах №2772987, №2770628, №2772992, №2774186 [2-4].

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству относится, сверхвысокочастотная хмелесушилка с поярусно расположенными резонаторами (патент RU №2774961), с установленными магнетронами.

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 удельных энергетических затрат с сохранением потребительских характеристик высушенного хмеля.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата устройство снабжено цилиндрическими открытыми неферромагнитными резонаторами с закрытыми неферромагнитными основаниями, боковая поверхность которых представлена в виде двух равных частей, состыкованных между собой в вертикальной плоскости, образуя между цилиндрическими частями прорезь в виде канала для перемещения сырья, при этом в резонаторах соосно расположены керамические зеркала и перфорированные фторопластовые ячеистые барабаны, причем барабаны установлены с возможностью регулирования частоты вращения и выполнены в виде сплошного фторопластового цилиндра, диаметром кратным половины длины волны, вдоль боковой поверхности, которых равномерно установлены перфорированные фторопластовые перегородки, толщиной более четверти волны, при этом с одного торца каждого металлодиэлектрического резонатора, прикреплены неферромагнитные воздуховоды от соответствующих тепловых пушек, а с другого торца установлены неферромагнитные воздухоотводы, при этом магнетроны воздушного охлаждения прикреплены на боковых поверхностях каждого металлодиэлектрического резонатора, так, что излучатели направлены через керамические зеркала в соответствующие их объемы. Над верхней прорезью первого открытого резонатора расположена неферромагнитная загрузочная емкость с задвижкой, а под нижней прорезью открытого резонатора последнего яруса прикреплена неферромагнитная приемная емкость с задвижкой.

Предлагаемая хмелесушилка непрерывно-поточного действия с тремя поярусно расположенными рабочими камерами в виде металлодиэлектрических резонаторов с керамическими зеркалами, обладающими малыми потерями энергии за период колебания относительно запасенной в системе энергии, и с фторопластовыми ячеистыми барабанами. Фторопластовые барабаны выполняют функции диэлектрических волноводов их достоинства:

- простота конструкции, менее жесткие требования к размерам;

- малое затухание при использовании фторопласта, на сантиметровом диапазоне коэффициент ослабления соизмерим с коэффициентом ослабления в неферромагнитном волноводе;

- высокая электрическая прочность.

Недостаток диэлектрического волновода - наличие открытого внешнего поля, приводящего к излучению.

Диэлектрический волновод возбуждают с помощью неферромагнитного резонатора. Для этого вдоль поверхности устанавливают неферромагнитные материалы, получая металлодиэлектрический резонатор. В результате, если резонатор выполнен из цилиндрического фторопластового волновода круглого сечения и вдоль его поверхности размещены неферромагнитные пластины через зазор, то резонатор будет металлодиэлектрическим (полосково-щелевой резонатор). На этом принципе проектирован перфорированный фторопластовый ячеистый барабан внутри открытого неферромагнитного резонатора.

Основными критериями при конструировании хмелесушилки с источниками СВЧ энергии и конвективного тепла с металлодиэлектрическими резонаторами являются возможность обеспечения электромагнитной безопасности, разных температурных режимов и высокой напряженности электрического поля в каждом металлодиэлектрическом резонаторе при поэтапном снижении влажности хмеля с сохранением потребительских показателей высушенного хмеля.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:

фиг. 1 - пространственное изображение СВЧ-конвективной хмелесушилки непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами без передних торцевых оснований, общий вид с позициями;

фиг. 2 - пространственное изображение боковых поверхностей открытого неферромагнитного резонатора;

фиг. 3 - пространственное изображение перфорированного фторопластового ячеистого барабана;

фиг. 4 - пространственное изображение керамического зеркала;

фиг. 5 - пространственное изображение СВЧ-конвективной хмелесушилки непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами без передних торцевых оснований, в разрезе.

СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами содержит (фиг. 1-4):

неферромагнитную загрузочную емкость 1;

задвижку 2 неферромагнитную в загрузочной емкости;

неферромагнитные воздухоотводы 3;

открытые неферромагнитные резонаторы 4;

керамические зеркала 5;

перфорированные фторопластовые ячеистые барабаны 6 (диэлектрические волноводы);

перфорированные фторопластовые перегородки 7;

неферромагнитную приемную емкость 8;

задвижку 9 неферромагнитную, закрывающую нижнюю прорезь неферромагнитного резонатора последнего яруса;

неферромагнитный воздуховод 10 от соответствующих тепловых пушек;

электропривод фторопластового ячеистого барабана 11; магнетроны воздушного охлаждения 12.

СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами содержит поярусно состыкованные с боковыми поверхностями металлодиэлектрические цилиндрические резонаторы 4 с закрытыми неферромагнитными основаниями.

Каждый металлодиэлектрический резонатор представлен в виде соосно расположенных открытого неферромагнитного резонатора 4, керамических зеркал 5 и фторопластового ячеистого барабана 6, 7.

Каждый фторопластовый ячеистый барабан, вращающийся от электропривода 11, выполнен в виде сплошного фторопластового цилиндра 6, диаметром кратным половины длины волны, вдоль боковой поверхности его равномерно установлены перфорированные фторопластовые перегородки 7, толщиной более четверти волны.

Каждый открытый неферромагнитный резонатор 4 представлен из двух разделенных равных частей боковой поверхности цилиндра, так, что между частями образованы прорези.

Над верхней прорезью первого открытого неферромагнитного резонатора расположена неферромагнитная загрузочная емкость 1 с задвижкой 2. Под нижней прорезью открытого неферромагнитного резонатора последнего яруса прикреплена неферромагнитная приемная емкость 8 с неферромагнитной задвижкой 9. Прорези, состыкованные на промежуточных ярусах, образуют канал перемещения сырья.

Магнетроны 12 воздушного охлаждения прикреплены на боковых поверхностях каждого металлодиэлектрического резонатора, так, что излучатели направлены через керамические зеркала 5 в соответствующие их объемы.

Неферромагнитные воздуховоды 10 от соответствующих тепловых пушек прикреплены с одного торца каждого металлодиэлектрического резонатора, а с другого торца установлены неферромагнитные воздухоотводы 3.

Для реализации такого технологического режима сушки предусмотрено регулирование:

- продолжительности воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на шишки хмеля в каждом резонаторе, путем изменения частоты вращения соответствующего фторопластового ячеистого барабана;

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

- объема загрузки шишек хмеля в металлодиэлектрические резонаторы с регулированием зазора с помощью неферромагнитных задвижек;

- мощности СВЧ генераторов.

Скорость сушки хмеля зависит от удельной мощности СВЧ генераторов в каждом металлодиэлектрическом резонаторе и от параметров конвективного теплоносителя.

Хмелесушилка снабжена контрольно-измерительной аппаратурой, пультом дистанционного управления.

Процесс сушки шишек хмеля в СВЧ-конвективной хмелесушилке непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами происходит следующим образом.

Закрыть неферромагнитные задвижки 2, 9 и загрузить хмель в загрузочную емкость 1. Включить все электрические тепловые пушки на соответствующие производительности и мощности нагревательных элементов. Включить электроприводы 11 фторопластовых ячеистых барабанов 6, 7. Открыть неферромагнитную задвижку 2, после того как шишки хмеля окажутся в металлодиэлектрическом резонаторе первого яруса, включить магнетроны первого яруса на определенную мощность, а магнетроны, расположенные на металлодиэлектрических резонаторах последующих ярусов следует включать только при наличии в них сырья.

Фторопластовые ячеистые перфорированные барабаны выполняют функции диэлектрических волноводов. Принцип действия диэлектрического волновода основан на полном отражении волны от границы фторопласт-шишки хмеля. Относительная диэлектрическая проницаемость фторопласта ε₁=4-6, а хмеля при продувании конвективным теплым воздухом ε₂=2-4. Перенос энергии вдоль полностью отражающей границы осуществляется двумя волнами: направляемой, распространяющейся внутри фторопласта, и поверхностной, распространяющейся в хмеле во взвешенном состоянии. В отличие от неферромагнитного волновода граничная задача в случае диэлектрического волновода решается раздельно для областей внутри и вне цилиндра, т.е. для направляемой и поверхностной волн. На границе раздела двух сред касательные составляющие напряженности электрического и магнитного полей будут непрерывными. При возбуждении волны во фторопластовом ячеистом барабане на его поверхности (включая на поверхности фторопластовых перегородок) возникают поверхностные токи смещения, появляется гибридная волна, содержащая обе продольные компоненты магнитной и электрической составляющих. На частоте больше критической частоты, почти вся энергия концентрируется внутри фторопластового барабана, и переноситься направляемой волной.

Концентрация энергии электромагнитного поля в объеме металлодиэлектрического резонатора и уменьшение потерь на излучение достигаются благодаря применению керамических зеркал, обладающих малым углом диэлектрических потерь (менее 10"³).

Шишки хмеля, находясь в отсеках фторопластового барабана, подвергается воздействию ЭМПСВЧ и нагревается эндогенно, поверхностная влага снимается теплым воздухом, поступающим через воздуховод 10 от тепловой пушки и распространяющимся через перфорацию фторопластового ячеистого барабана 6, 7. Влажный воздух удаляется через воздухоотвод 3. Шишки хмеля перемешиваются в щадящем режиме при вращении перфорированного ячеистого фторопластового барабана и нагреваются равномерно при высокой напряженности электрического поля (1,2-3 кВ/см) в отсеках (ячейках) во взвешенном состоянии.

Напор и температура теплого воздуха в каждом металлодиэлектрическом резонаторе согласованы со скоростью перемещения сырья и его влажностью.

Для достижения необходимой напряженности электрического поля можно регулировать мощностью генераторов. При диэлектрическом нагреве градиенты давления, температуры и влажности направлены от центра к периферии шишек хмеля. Поэтому из шишек хмеля выделяется связанная влага, которая с поверхности шишек удаляется конвективным способом.

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 расстояние между перегородками фторопластового барабана меньше двух глубин проникновения волны (5-6 см) в хмель, и продувается теплым воздухом, определенного напора, поэтому он по толщине равномерно нагревается.

Отработанный влажный воздух из каждого металлодиэлектрического резонатора удаляется через воздухоотводы 3. Высушенный хмель до 10-11% выгружается с помощью в приемную емкость 8. 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 СВЧ-конвективной сушки шишек хмеля разной скоростью в поярусно расположенных металлодиэлектрических резонаторах при разных напряженностях электрического поля, хмель высыхает в щадящем режиме и с сохранением потребительских свойств.

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

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение обеспечит значительное снижение удельных энергетических затрат на процесс сушки, за счет совмещения ячеистого перфорированного фторопластового барабана с функциями диэлектрического волновода и перемещающего сырья механизма, при сохранении потребительских характеристик высушенного хмеля.

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 RU №2772987

3. Патент RU №2770628

4. Патент RU №2772992

5. Патент RU№2774186

6. Стрекалов А.В., Стрекалов Ю.А. Электромагнитные поля и волны: Учебное пособие. - М.: РИОР: ИНФРА-М, 2014. - 375 с.

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

Изобретение относится к сельскому хозяйству. СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами характеризуется тем, что устройство снабжено цилиндрическими открытыми неферромагнитными резонаторами с закрытыми неферромагнитными основаниями, боковая поверхность которых представлена в виде двух равных частей, состыкованных между собой в вертикальной плоскости, образуя между цилиндрическими частями прорезь в виде канала для перемещения сырья, при этом в резонаторах соосно расположены керамические зеркала и перфорированные фторопластовые ячеистые барабаны, причем барабаны установлены с возможностью регулирования частоты вращения и выполнены в виде сплошного фторопластового цилиндра диаметром, кратным половине длины волны, вдоль боковой поверхности барабанов равномерно установлены перфорированные фторопластовые перегородки толщиной более четверти волны, при этом с одного торца каждого металлодиэлектрического резонатора прикреплены неферромагнитные воздуховоды от соответствующих тепловых пушек, а с другого торца установлены неферромагнитные воздухоотводы, при этом магнетроны воздушного охлаждения прикреплены на боковых поверхностях каждого металлодиэлектрического резонатора, так, что излучатели направлены через керамические зеркала в соответствующие их объемы. Изобретение позволяет снизить удельные энергетические затраты с сохранением потребительских характеристик высушенного хмеля. 5 ил.

СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическими резонаторами, характеризующаяся тем, что устройство снабжено цилиндрическими открытыми неферромагнитными резонаторами с закрытыми неферромагнитными основаниями, боковая поверхность которых представлена в виде двух равных частей, состыкованных между собой в вертикальной плоскости, образуя между цилиндрическими частями прорезь в виде канала для перемещения сырья, при этом в резонаторах соосно расположены керамические зеркала и перфорированные фторопластовые ячеистые барабаны, причем барабаны установлены с возможностью регулирования частоты вращения и выполнены в виде сплошного фторопластового цилиндра диаметром, кратным половине длины волны, вдоль боковой поверхности барабанов равномерно установлены перфорированные фторопластовые перегородки толщиной более четверти волны, при этом с одного торца каждого металлодиэлектрического резонатора прикреплены неферромагнитные воздуховоды от соответствующих тепловых пушек, а с другого торца установлены неферромагнитные воздухоотводы, при этом магнетроны воздушного охлаждения прикреплены на боковых поверхностях каждого металлодиэлектрического резонатора, так, что излучатели направлены через керамические зеркала в соответствующие их объемы.