Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка 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.

Известно, что сохранение потребительских свойств высушенного хмеля, таких как: золотисто-зеленая окраска; аромат; светло-желтый лупулин; отсутствие смятых шишек (не более 5%) можно при комбинированном эндогенно-конвективном способе сушки в рабочих камерах−объемных резонаторах нестандартных конструкций с магнетронами воздушного охлаждения, обеспечивающих непрерывный режим сушки [1].

Научная инновационная идея реализации этого способа сушки заключается в том, что рабочая камера выполнена в виде поярусно расположенных роторов с перфорированными керамическими отсеками, расположенных между стационарными неферромагнитными основаниями, образуя коаксиальные резонаторы, в которых возбуждается бегущая волна от трех СВЧ генераторов.

Известна СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами в виде полусфер и эллипсоида (патент № 2774961) [1].

Недостатки. В указанной хмелесушилке остаются сложности согласования между собой технологических параметров, а именно толщины слоя, плотности и скорости передвижения сырья, температуры нагрева сырья и воздуха в каждом резонаторе. Поэтому возникают трудности поэтапной регулировки скорости нагрева и сушки свежеубранного хмеля.

Наиболее близкой по технической сущности является известный карусельный экстрактор одно-и двух ярусного исполнений [3, стр. 274-278]. Это цилиндрическое устройство с перфорированным стационарным днищем, над которым перемещается ротор с радиальными перегородками. Основными частями ротора являются внутренняя и внешняя обечайки, образующие кольцевое пространство, которое разделено радиальными перегородками. В поперечном сечении каждая радиальная перегородка имеет сужающуюся книзу форму.

Некоторые узлы разрабатываемой роторной СВЧ-конвективной хмелесушилки схожи с узлами карусельного экстрактора [2].

Разработка роторной СВЧ-конвективной хмелесушилки непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными рабочими камерами для поэтапной сушки свежеубранного хмеля, позволяющей сушить шишки хмеля в эффективном режиме в условиях хмелеводческих хозяйств с сохранением его потребительских свойств, при сниженных эксплуатационных затратах, актуальна.

Техническим результатом изобретения является − сохранение потребительских свойств высушенного и обеззараженного хмеля в процессе поэтапной СВЧ-конвективной сушки в разных режимах, в рабочей камере, образованной из поярусно расположенных между стационарными перфорированными неферромагнитными основаниями неферромагнитных роторов с радиальными керамическими отсеками.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка содержит

экранирующие цилиндрические неферромагнитные корпусы, расположенные вертикально, внутри которых соосно и поярусно, между стационарными неферромагнитными основаниями, расположены неферромагнитные перфорированные роторы с радиальными керамическими перфорированными перегородками, поперечное сечение которых имеет сужающуюся книзу форму, где расстояние хорды между перегородками не более двух глубин проникновения волны,

причем в каждом роторе внешняя и внутренняя неферромагнитные перфорированные обечайки образуют кольцевое пространство, и роторы с стационарными неферромагнитными основаниями образуют коаксиальные резонаторы,

при этом в неферромагнитной загрузочной емкости, расположенной на верхнем неферромагнитном стационарном основании резонатора первого яруса, над секторным вырезом, и в приемной неферромагнитной емкости, расположенной под секторным вырезом нижнего стационарного неферромагнитного основания резонатора третьего яруса установлены электроприводные спиральные шнеки,

причем по периметру внешних перфорированных обечаек роторов расположены зубчатые венцы для сцепления с ведущими шестернями на валу моторов-редукторов, расположенных вне хмелесушилки,

при этом излучатели от магнетронов воздушного охлаждения, расположенных со сдвигом на 120 градусов на верхнем основании резонатора первого яруса и под нижним основанием резонатора третьего яруса, направлены в соответствующие кольцевые пространства через волноводы, причем ротор второго яруса расположен между стационарными перфорированными неферромагнитными основаниями,

при этом к каждому ротору, через экранирующие корпуса, подведены неферромагнитные воздуховоды от тепловой пушки, а перфорированные внутренние неферромагнитные обечайки образуют воздухоотвод.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

– пространственное изображение роторной СВЧ-конвективной хмелесушилки (общий вид), (фиг. 1);

− пространственное изображение роторной СВЧ-конвективной хмелесушилки (общий вид в разрезе), ( фиг. 2);

− пространственное изображение роторной СВЧ-конвективной хмелесушилки (общий вид в разрезе, с позициями), (фиг. 3);

− пространственное изображение перфорированного ротора с керамическими перфорированными перегородками и с венцом на наружной обечайке (фиг. 4);

− пространственное изображение керамической перфорированной радиальной перегородки (фиг. 5);

− пространственное изображение неферромагнитного корпуса одного яруса с вырезом для приводной шестерни (фиг. 6);

− пространственное изображение неперфорированного основания с секторным вырезом (фиг. 7);

− пространственное изображение перфорированного основания с секторным вырезом (фиг. 8);

− пространственное изображение зубчатого венца с электроприводной шестерней (фиг. 9);

− электроприводной неферромагнитный спиральный шнек − замедляющая система (фиг. 10).

Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка содержит (фиг. 1-10):

- неферромагнитные цилиндрические экранирующие корпуса 1;

- стационарные неферромагнитные основания 2, 7, 11, 15 с секторными вырезами;

- неферромагнитную загрузочную емкость с электроприводным неферромагнитным спиральным шнеком 3;

- поярусно расположенные неферромагнитные роторы 4, 8, 12;

- отсеки 5, 9, 13, образованные перфорированными керамическими радиальными перегородками 6, 10, 14;

- приемную неферромагнитную емкость 16;

- неферромагнитный электроприводной спиральный шнек 17 для выгрузки высушенного хмеля;

- магнетроны 18, 26 с волноводами и вентиляторами для охлаждения;

- неферромагнитные воздуховоды 19, 21, 23 с тепловыми пушками соответствующих ярусов хмелесушилки;

- электроприводы роторов (за счет сцепления ведущей шестерни на валу мотора редуктора с зубчатым венцом) 20, 22, 24;

- воздухоотвод 25 с вытяжным вентилятором.

Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка (фиг. 1-10) содержит экранирующие цилиндрические неферромагнитные корпуса 1 расположенные поярусно. Внутри каждого корпуса соосно и поярусно расположены электроприводные перфорированные роторы 4, 8, 12 между перфорированными неферромагнитными стационарными основаниями 2, 7, 11, 15 с секторными вырезами. В каждом роторе внешняя и внутренняя неферромагнитные перфорированные обечайки образуют кольцевое пространство. Роторы с неподвижными неферромагнитными основаниями образуют коаксиальные неферромагнитные перфорированные резонаторы. Каждое кольцевое пространство разделено вертикальными радиальными перфорированными керамическими перегородками 6, 10, 14 на несколько отсеков 5, 9, 13. В поперечном сечении эти керамические перегородки имеют сужающуюся книзу форму для облегчения загрузки сырья на нижний ярус или выгрузки в разгрузочную емкость.

Загрузка сырья в отсеки, и выгрузка его из отсеков происходит через секторные вырезы в основаниях каждого резонатора. Индивидуальный привод роторов осуществляется с помощью шестеренок с зубчатыми венцами 20, 22, 24, установленных с наружной стороны, по периметру внешней обечайки каждого ротора. За счет сцепления ведущей шестерни на валу мотора редуктора с зубчатым венцом, ротор вращается.

Технологический процесс сушки происходит следующим образом.

Включить тепловые пушки для подачи теплого воздуха определенной температуры и производительности через неферромагнитные воздуховоды 10, 21, 23 в перфорированные роторы всех ярусов. Подвод конвективного тепла от индивидуальных тепловых пушек к ротору осуществляется через неферромагнитные воздуховоды, направленные через экранирующие цилиндрические корпуса хмелесушилки.

Включить моторы-редукторы для вращения неферромагнитных перфорированных роторов 4, 8, 12 за счет сцепления ведущей шестерни на валу мотора редуктора с зубчатыми венцами 20, 22, 24 на внешних обечайках роторов.

Загрузить свежеубранный хмель (влажность 70-80 %) в неферромагнитную приемную емкость с закрытой задвижкой. Открыть задвижку и включить электропривод неферромагнитного спирального шнека 3.

После чего происходит загрузка свежеубранного хмеля в керамические отсеки 5 коаксиального резонатора первого яруса с помощью неферромагнитного спирального шнека 3, выполняющего одновременно функцию замедляющей системы, что обеспечивает электромагнитную безопасность и равномерность загрузки отсеков 5, образованных радиальными керамическими перегородками 6. Загрузка сырья в отсеки, образованные между радиальными керамическими перегородками происходит через секторные вырезы в неферромагнитных основаниях каждого коаксиального резонатора.

Далее включить генераторы 26 (магнетроны), после чего в коаксиальном резонаторе первого яруса возбуждается электромагнитное поле сверхвысокой частоты (2450 МГц, 12,24 см), (возбуждается бегущая волна).

В коаксиальном резонаторе возбуждается бегущая волна, что уменьшает опасность пробоя при влажности сырья 80 % и максимальной загрузки резонатора. Энергия, затрачиваемая на поляризацию сырья, генерируется в шишках хмеля в виде теплоты. Ценное свойство СВЧ энергии – концентрация в объеме хмеля, масса которого нагревается избирательно в зависимости от электрофизических свойств его составляющих. Выделенная поверхностная влага испаряется и удаляется конвективным теплым воздухом (23) за пределы хмелесушилки через перфорацию ротора и воздухоотвод 25.

В процессе перемещения перфорированного ротора 4 первого яруса с сырьем в керамических отсеках 5 между стационарными неферромагнитными основаниями из секторного выреза 7 частично обезвоженное и нагретое избирательно, в зависимости от электрофизических параметров лепестков и стерженьков, шишки хмеля выгружаются в перфорированные керамические отсеки 9 ротора 8 второго яруса. Совершив практически полный круг в верхнем ярусе, шишки хмеля через секторный вырез пересыпаются из разгружаемого отсека в соответствующий отсек коаксиального резонатора второго яруса. В данном перфорированном роторе 8 теплый воздух от тепловой пушки, попадая через неферромагнитный воздуховод 21, обеспечивает испарение поверхностной влаги, а отсутствие электромагнитного поля сверхвысокой частоты в данном ярусе способствует выравниванию давления, влажности и температуры в лепестках и стерженьках шишек хмеля за счет теплопроводности, это позволяет снизить хрупкость стерженьков.

Далее сырье через секторный вырез 11 высыпается из ротора второго яруса в керамические отсеки 13 ротора 12 третьего яруса. Как только в отсеках 13 окажется частично высушенный хмель, необходимо включить СВЧ генераторы 18 (без сырья в резонаторе включать СВЧ генераторы не разрешается) для возбуждения ЭМПСВЧ. Тогда в коаксиальном резонаторе третьего яруса, хмель подвергнется воздействию эндогенно-конвективному нагреву и высушится до влажности 10-12 %. Такое чередование диэлектрического нагрева и паузы, при которой происходит выравнивание температуры, давления, влажности по всему сечению шишек хмеля обеспечивает щадящий режим сушки и сохранение потребительских свойств сырья. Ожидается снижение удельных энергетических затрат на сушку хмеля за счет исключения СВЧ генераторов во втором ярусе и подвода конвективного тепла в каждый ярус в эффективных режимах при трехэтапной сушке. Разрушение структуры шишек минимально за счет использования спиральных шнеков для подачи и выгрузки сырья.

Перемещение шишек хмеля с помощью роторов 4, 8, 12 по стационарным основаниям 7, 11, 15 осуществляется при малых оборотах мотора-редуктора, что обеспечивает щадящий режим транспортировки. Нижнее основание третьего яруса не перфорировано, что снижает потери конвективного тепла. Цилиндрические неферромагнитные корпуса также снижают потери конвективного тепла и обеспечивают радиогерметичность хмелесушилки вместе со спиральными замедляющими системами 3, 17 (электроприводные спиральные шнеки 3, 17). Если диаметр неферромагнитной проволоки мал по сравнению с диаметром спирали, то ее можно рассматривать как цилиндр, проводимость которого бесконечна в направлении витков спирали и равна нулю в поперечном направлении [3]. Правильным подбором радиуса спирали и шага намотки можно обеспечить достаточную эффективность замедления ЭМП, т.е. снижение излучения через загрузочное окно. Расчеты показывают, что почти в 4 раза снизиться мощность потока излучений через загрузочную емкость, если применить спиральную замедляющую систему. К тому же, свежеубранный хмель имеет влажность до 80 %, а значит, электромагнитное поле замыкается на сырье. Поэтому следует ожидать соблюдение безопасной нормы СВЧ излучения в 10 мкВт/см² [4].

Управление эффективными режимами облегчается за счет возможности регулирования мощности СВЧ генераторов, частоты вращения роторов каждого яруса, объема загрузки в отсеки, производительности и мощности тепловых пушек.

Перфорированные керамические перегородки с сужающимся книзу поперечным сечением, позволяют концентрировать энергию излучений в сырье. Следовательно, обеспечит напряженность электрического поля, достаточную для обеззараживания хмеля (0,6-1 кВ/см). Керамические перегородки позволяют уменьшить потери на излучение через перфорацию обечаек ротора [4, стр. 359].

Качество высушенного хмеля зависит от температуры и напора подаваемого воздуха, дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, напряженности электрического поля на каждом этапе сушки. Равномерность распределения хмеля в объеме коаксиального резонатора и равномерность нагрева его обеспечивается за счет того, что расстояние между керамическими радиальными перегородками не более двух глубин проникновения волны в шишки хмеля (4-5 см).

Собственная добротность резонаторов с керамическими перфорированными перегородками выше, чем с фторопластовыми перегородками, т.е. КПД хмелесушилки выше. Отсутствие тепловой инерционности СВЧ нагрева на сырье обеспечивает высокую точность регулирования процесса сушки и его воспроизводимости. С уменьшением влажности хмеля в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках сырья, где еще сохранилась повышенная влажность.

Источники информации

1. Патент № 2774961 РФ, МПК С12С3/02; F26B3. Сверхвысокочастотная хмелесушилка с поярусно расположенными резонаторами /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). – № 2021129382; заявл. 08.10.2021 . Бюл. № 18 от 24.06.2022.

2. Кошевой Е.П. Технологическое оборудование предприятий производства растительных масел. – СПб: ГИОРД, 2001. 368 с.

3. Баскаков С.И. Электродинамика распространения волн: М.: URSS. 416 с.

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

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в хмелеводческих хозяйствах для сушки свежеубранного хмеля. Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка содержит экранирующие цилиндрические неферромагнитные корпуса 1 расположенные вертикально, внутри которых соосно и поярусно, между стационарными перфорированными неферромагнитными основаниями 7, 11, 15, расположены неферромагнитные перфорированные роторы 4, 8, 12 с радиальными керамическими перфорированными перегородками 6, 10, 14. В каждом роторе внешняя и внутренняя неферромагнитные перфорированные обечайки образуют кольцевое пространство. Роторы с неподвижными неферромагнитными основаниями образуют коаксиальные резонаторы. Загрузка сырья в отсеки, образованные между радиальными керамическими перегородками происходит через секторные вырезы в неферромагнитных основаниях каждого коаксиального резонатора. По периметру внешних обечаек роторов расположены венцы 20, 22, 24 для сцепления с ведущими шестернями на валу моторов-редукторов, расположенных вне хмелесушилки. В загрузочных неферромагнитных емкостях расположены неферромагнитные электроприводные спиральные шнеки 3, 17. Излучатели от магнетронов 18, 26 воздушного охлаждения направлены в соответствующие кольцевые пространства через волноводы. В каждый ярус рабочей камеры подведен через экранирующий корпус неферромагнитный воздуховод 19, 21, 23, с тепловой пушкой. Перфорированные внутренние неферромагнитные обечайки образуют воздухоотвод 25. Использование изобретения позволит сохранить потребительские свойства высушенного и обеззараженного хмеля в процессе поэтапной СВЧ-конвективной сушки. 10 ил.

Роторная СВЧ-конвективная хмелесушилка, характеризующаяся тем, что она имеет расположенные вертикально экранирующие цилиндрические неферромагнитные корпуса, внутри которых соосно и поярусно, между стационарными неферромагнитными основаниями корпусов, имеющими секторные вырезы, установлены неферромагнитные перфорированные роторы с радиальными керамическими перфорированными перегородками, поперечное сечение которых имеет сужающуюся книзу форму, причем расстояние хорды между керамическими перегородками не более двух глубин проникновения волны, при этом в каждом роторе внешняя и внутренняя неферромагнитные перфорированные обечайки образуют кольцевое пространство, а роторы со стационарными неферромагнитными основаниями образуют коаксиальные резонаторы, причем по периметру внешних перфорированных обечаек роторов расположены зубчатые венцы для сцепления с ведущими шестернями на валу мотор-редукторов, расположенных вне хмелесушилки, кроме того в неферромагнитной загрузочной емкости, расположенной на верхнем неферромагнитном стационарном основании резонатора первого яруса, над секторным вырезом, и в приемной неферромагнитной емкости, расположенной под секторным вырезом нижнего стационарного неферромагнитного основания резонатора третьего яруса, установлены электроприводные спиральные шнеки, при этом излучатели от магнетронов воздушного охлаждения, расположенных со сдвигом на 120 градусов на верхнем основании резонатора первого яруса и под нижним основанием резонатора третьего яруса, направлены в соответствующие кольцевые пространства через волноводы, ротор второго яруса расположен между стационарными перфорированными неферромагнитными основаниями, к каждому ротору через экранирующие корпусы подведены неферромагнитные воздуховоды с тепловыми пушками, а перфорированные внутренние неферромагнитными обечайки образуют воздухоотвод.