СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами разных конфигураций Российский патент 2023 года по МПК C12C3/02 

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.

В Чувашской Республике испытана Российская хмелесушилка ХС-400, реализующая конвективный способ сушки. Суммарное потребление энергии хмелесушилкой ХС-400 равно 20 ГДж на сушку 1 тонны хмеля, влажностью 75-82 %. Температура сушильного воздуха не более 65 ^оС, конечная влажность высушенного хмеля 6 %, влажность кондиционированного хмеля 11% [1]. Известно, что из-за длительности процесса и неравномерной сушки шишек хмеля снижаются его потребительские характеристики. Конвективная подача воздуха, температурой 65 ^оС не снижает развития микрофлоры, появления плесни. Поэтому до 15 % первосортный хмель может потерять ценность и будет оценен как во второй сорт.

Задача сушки хмеля сводится к сохранению хорошего товарного вида, цвета и аромата, максимального количества горьких веществ (12-22 %), дубильных веществ (2-5 %) и эфирных масел (0,2-0,8 %) для применения его в пивоварении.

Научная проблема – низкая энергоэффективность хмелесушилок с конвективным подводом тепла и отсутствие малогабаритных хмелесушилок непрерывно-поточного действия для хмелеводческих хозяйств, обеспечивающих сохранение потребительских свойств хмеля при сниженных эксплуатационных затратах.

Наиболее близкой по технической сущности является СВЧ – конвективная хмелесушилка с поярусно расположенными резонаторами в виде полусфер и эллипсоида (патент № 27749612). Хмелесушилка содержит соосно и поярусно расположенные резонаторы в вертикально расположенном цилиндрическом экранирующем корпусе [2].
а)

Недостаток: сложность согласования толщины слоя хмеля с глубиной проникновения электромагнитной волны сантиметрового диапазона, что влечет за собой неравномерность диэлектрического нагрева хмеля. Высокая металлоемкость из-за наличия экранирующего корпуса.

Техническим результатом изобретения является − сохранение потребительских свойств высушенного и обеззараженного хмеля при трехэтапной сушке в разных режимах в рабочей камере, образованной поярусно расположенными нестандартными резонаторами.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами разных конфигураций содержит

поярусно расположенные полусферический, цилиндрический и усеченный конический неферромагнитные резонаторы, состыкованные между собой основаниями равного диаметра, по периметру которых установлены со сдвигом на 120 градусов волноводы с магнетронами воздушного охлаждения, излучатели которых направлены в соответствующие резонаторы,

причем диаметром, равным диаметру малого основания усеченного конуса в каждом неферромагнитном резонаторе соосно вертикально установлены диэлектрические перфорированные ячеистые электроприводные барабаны высотой, равной высоте соответствующих резонаторов,

при этом на полусферическом резонаторе, где вырезан сегмент размером поперечного сечения ячейки барабана, установлена неферромагнитная загрузочная емкость,

а на всех основаниях резонаторов, на уровне ячеек диэлектрических барабанов, вырезаны радиальные сегменты, соответствующие радиусу барабана, и хордой не более, чем две глубины проникновения волны,

причем электропривод ячеистого барабана первого яруса расположен на поверхности полусферического резонатора, а второй ячеистый барабан приводится в движение за счет сцепления зубчатой диэлектрической шестеренки и диэлектрического венца на барабане, электропривод ячеистого барабана третьего яруса расположен за пределами усеченного конического резонатора,

при этом под открытым сегментом на малом основании усеченного конического резонатора расположена неферромагнитная приемная емкость, а к боковым поверхностям всех резонаторов с противоположных сторон прикреплены воздухоотводы и воздуховоды от тепловой пушки, направленные снизу вверх, против движения сырья в ячейках барабана.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

- СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами разных конфигураций, общий вид в разрезе с позициями (фиг. 1);

- СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами разных конфигураций, общий вид, в разрезе (фиг. 2);

- полусферический неферромагнитный резонатор (фиг. 3);

- цилиндрический неферромагнитный резонатор (фиг. 4);

- неферромагнитный усеченный конический резонатор (фиг. 5);

- диэлектрический перфорированный ячеистый барабан первого яруса (фиг. 6);

- диэлектрический перфорированный ячеистый барабан второго яруса (фиг. 7);

- диэлектрический перфорированный ячеистый барабан третьего яруса (фиг. 8);

СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами разных конфигураций содержит (фиг. 1−8):

- неферромагнитную загрузочную емкость 1;

- открытый сегмент 2 на полусферическом неферромагнитном резонаторе;

- электропривод 3 ячеистого диэлектрического перфорированного барабана 5 первого яруса;

- полусферический неферромагнитный резонатор 4;

- ячеистый перфорированный диэлектрический барабан 5 в полусферическом неферромагнитном резонаторе 4;

- неферромагнитное основание 6 полусферического резонатора 4;

- неферромагнитный воздухоотвод 7 на цилиндрическом резонаторе 10;

- открытый сегмент 8 на основании 6 полуцилиндрического резонатора 4;

- ячеистый перфорированный диэлектрический барабан 9 во втором цилиндрическом неферромагнитном резонаторе 10;

- диэлектрический венец 11 с шестеренкой для привода диэлектрического перфорированного ячеистого барабана 9 второго яруса;

- нижнее основание 12 цилиндрического неферромагнитного резонатора 10;

- неферромагнитный воздухоотвод 13 на усеченном коническом резонаторе 15;

- открытый сегмент 14 на нижнем основании 12 цилиндрического неферромагнитного резонатора 10;

- неферромагнитный усеченный конический резонатор 15;

- ячеистый перфорированный диэлектрический барабан 16 в усеченном коническом резонаторе 15;

- малое основание 17 усеченного конического резонатора 15;

- открытый сегмент 18 на основании 17 усеченного конического резонатора 15;

- электропривод 19 ячеистого диэлектрического барабана 16 третьего яруса;

- неферромагнитную приемную емкость 20;

- воздуховоды 21, 23, 25 с тепловыми пушками в соответствующие резонаторы 15, 10, 4;

- волноводы с магнетронами 22, 24, 26 на соответствующих резонаторах 15, 10, 4;

- воздухоотвод 27 на полусферическом резонаторе 4.

СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами разных конфигураций содержит поярусно расположенные полусферический 4, цилиндрический 10 и усеченный конический 15 неферромагнитные резонаторы. Они состыкованы между собой основаниями 6, 12 равного диаметра. По периметру резонаторов 4, 10, 15 установлены со сдвигом на 120 градусов волноводы с магнетронами 26, 24, 22 воздушного охлаждения, излучатели которых направлены в соответствующие резонаторы.

Причем диаметром, равным диаметру малого основания 17 усеченного конического резонатора 15 в каждом неферромагнитном резонаторе 4, 10, 15 соосно вертикально установлены диэлектрические перфорированные ячеистые электроприводные барабаны 5, 9, 16 высотой, равной высоте соответствующих резонаторов. На полусферическом резонаторе 4, где вырезан сегмент 2 размером поперечного сечения ячейки барабана 5, установлена неферромагнитная загрузочная емкость 1. На всех основаниях 6, 12, 17 резонаторов, на уровне ячеек диэлектрических перфорированных барабанов 5, 9, 16 вырезаны радиальные сегменты, соответствующие радиусу барабана. Хорда радиального сегмента не более чем, две глубины проникновения волны (6-7 см). Электропривод 3 ячеистого перфорированного диэлектрического барабана 5 первого яруса расположен на поверхности полусферического резонатора 4. Второй ячеистый перфорированный барабан 9 приводится в движение за счет сцепления зубчатой диэлектрической шестеренки и диэлектрического венца 11 на барабане 9. Электропривод 19 третьего ячеистого барабана расположен за пределами усеченного конического резонатора 15. Под открытым сегментом 18 на малом основании 17 усеченного конического резонатора 15 расположена неферромагнитная приемная емкость 20. К боковым поверхностям всех резонаторов 4, 10, 15 с противоположных сторон прикреплены воздухоотводы 27, 7, 13 и воздуховоды 25, 23, 21 от тепловой пушки, направленные снизу вверх, против движения сырья в ячейках барабанов 5, 9, 16.

Технологический процесс сушки свежеубранного хмеля происходит следующим образом. Засыпать шишки хмеля в загрузочную емкость 1, предварительно закрыв заслонку в ней. Включить электроприводы 3, 11, 19 всех ячеистых перфорированных диэлектрических барабанов 5, 9, 16. Включить тепловые пушки для подачи теплого воздуха (65 ^оС) через соответствующие воздуховоды 25, 23, 21. Открыть заслонку в загрузочной емкости 1 и включить последовательно, по мере поступления хмеля через открытые сегменты 2, 8, 14 в ячейки соответствующих перфорированных диэлектрических барабанов 5, 9, 16, сверхвысокочастотные генераторы (магнетоны 26, 24, 22). В ячеистых перфорированных барабанах свежеубранный хмель подвергается воздействию ЭМПСВЧ (частота 2450 МГц, длина волны 12,24 см, глубина проникновения 3-3,5 см) и конвективного нагрева. В полусферическом резонаторе 4 в процессе вращения перфорированного ячеистого диэлектрического барабана удаляется поверхностная влага, нагревается конвективно, испаряется и уносится через воздухоотвод 27. Шишки хмеля эндогенно нагреваются до 31-34 ^оС за счет токов поляризации. Поперечное сечение ячеек барабана представлено как радиальный сегмент, при этом хорда этого сегмента не более чем, две глубины проникновения волны (6-7 см), поэтому в ячейках барабана сырье нагревается равномерно. При вращении перфорированного диэлектрического барабана 5, шишки хмеля из ячеек через открытый сегмент 8 попадают в ячейки перфорированного барабана 9 второго яруса. В цилиндрическом резонаторе 9 второго яруса под воздействием ЭМПСВЧ соответствующей дозы и конвективного нагрева шишки хмеля нагреваются до 35-55 ^оС. При этом связанная влага за счет градиента давления стремится к периферии поверхности шишек хмеля, нагревается конвективным теплом, испаряется и уносится конвективным воздухом через воздухоотвод 7. Частично высушенное сырье через открытый радиальный сегмент 14 на основании 12, попадает в ячейки перфорированного барабана 16, расположенного в усеченном коническом резонаторе. В этом резонаторе под воздействием ЭМПСВЧ соответствующей дозы и конвективного тепла шишки хмеля нагреваются до 56-70 ^оС. В усеченном коническом резонаторе напряженность электрического поля высокая (1,2-2 кВ/см), достаточная для обеззараживания хмеля. Связанная влага эндогенно нагревается, испаряется и уносится с конвективным воздухом через воздухоотвод 13. Высушенный до 9-10 % влажности хмель с общим микробным числом менее 500 тыс. КОЕ высыпается через открытый сегмент 18 в приемную емкость 20.

Скорость сушки шишек хмеля зависит от переноса массы и тепла внутри капиллярно-пористой шишки и от внешнего массо- и теплообмена поверхности хмеля с окружающей средой в барабанах. Режим сушки не должен быть постоянным на протяжении всего процесса сушки хмеля, а должен изменяться по ходу процесса в соответствии с закономерностями переноса тепла и влаги в шишках хмеля. Поэтому для осуществление переменного режима сушки хмеля рабочая камера разделена с помощью трех резонаторов разной конфигурации. Подавая в отдельные резонаторы хмелесушилки теплоноситель определенных параметров, с применением СВЧ-конвективного метода подвода тепла достигается управление режимами сушки. Так как качество высушенных шишек хмеля является основным показателем, поэтому выбор температуры теплоносителя определяется электрофизическими свойствами хмеля.

Качество высушенного хмеля зависит от температуры и напора воздуха, дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, напряженности электрического поля на каждом этапе сушки, поэтому следует придерживаться как минимум трехэтапного процесса сушки. Скорость сушки хмеля зависит от удельной мощности генераторов в каждом резонаторе и от параметров теплоносителя: температуры, скорости и относительной влажности воздуха. Предложенные микроволновая технология и СВЧ-конвективная хмелесушилка обеспечивают наибольшую равномерность сушки шишек хмеля, с полной отдачей влаги теплоносителю, если напор воздуха достаточен, но ниже скорости витания шишек.

Кинетика сушки хмеля: в диэлектрическом перфорированном барабане первого яруса хмель нагревается, скорость сушки увеличивается. Затем в барабане второго яруса наступает период постоянной скорости сушки, характеризующейся постоянством температуры хмеля и постоянной интенсивностью испарения влаги. В зависимости от электро-,теплофизических свойств хмеля и режимных параметров процесса СВЧ-конвективного воздействия, температура изменяется в широких пределах (35-55 ^оС). Температура хмеля в периоде постоянной скорости сушки должна быть значительно ниже 100 ^оС, чтобы испарение влаги в основном происходило не внутри шишек хмеля, а на ее поверхности [3, стр. 328].

В барабане третьего яруса, после окончания периода постоянной скорости (во втором ярусе), интенсивность испарения уменьшается, а температура хмеля возрастает (56-70 ^оС). При такой трехзонной технологии сушильного процесса, интенсивность сушки хмеля высокая, позволяющая сохранить его потребительские свойства, при низких энергетических затратах. Энергия ЭМПСВЧ затрачивается только на создание необходимого градиента температуры и давления внутри шишек хмеля, а испарение влаги происходит за счет конвективного нагрева.

Итак, комбинированная сушка удобна для избирательного испарения влаги из сложной структуры шишек хмеля, содержащей разные формы связи влаги. Теплый воздух подается в каждый резонатор определенным напором и расходом, который проходит через слой шишек хмеля и удаляется через воздухоотводы. Влага, содержащаяся в шишках, переходит в парообразное состояние и удаляется потоком воздуха через перфорацию барабанов и воздухоотводы.. Наивысшая температура воздуха в резонаторах допускается не более 65 ^оС, а скорость движения нагретого воздуха не должна превышать 0,5 м/с. Сушат хмель до влажности 9-10 %.

Хмелесушилка обеспечивает поэтапное удаление влаги из шишек хмеля при движении сквозь резонаторы с помощью ячеистых перфорированных барабанов. При этом шишки хмеля подвергаются эндогенно-конвективному нагреву, высушиваются и обеззараживаются, т.е. происходит сохранение потребительских характеристик и улучшение микробиологических показателей.

Во всех резонаторах доза воздействия ЭМПСВЧ, температура и напор подаваемого воздуха контролируются и регулируются в зависимости от влажности и объема загружаемого хмеля путем изменения мощности СВЧ генераторов и тепловых пушек, а также скорости передвижения транспортера.

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 № 27749612 РФ, МПК С12С3/02; F26B3. Сверхвысокочастотная хмелесушилка с поярусно расположенными резонаторами (тюбинг)/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.

3. Лыков А.В. Теория сушки. М. Энергия, 1968, 470 с.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в хмелеводческих хозяйствах для сушки свежеубранного хмеля. СВЧ-конвективная хмелесушилка содержит поярусно расположенные полусферический 4, цилиндрический 10 и усеченный конический 15 неферромагнитные резонаторы. Они состыкованы между собой основаниями 6, 12 равного диаметра. По периметру резонаторов 4, 10, 15 установлены со сдвигом на 120 градусов волноводы с магнетронами 26, 24, 22 воздушного охлаждения, излучатели которых направлены в соответствующие резонаторы. В каждом неферромагнитном резонаторе 4, 10, 15 соосно вертикально установлены диэлектрические перфорированные ячеистые электроприводные барабаны 5, 9, 16 высотой, равной высоте соответствующего резонатора, и диаметром, равным диаметру малого основания 17 усеченного конического резонатора 15. На полусферическом резонаторе 4, где вырезан сегмент 2 размером поперечного сечения ячейки барабана 5, установлена неферромагнитная загрузочная емкость 1. На всех основаниях 6, 12, 17 резонаторов на уровне ячеек диэлектрических барабанов 5, 9, 16 вырезаны радиальные сегменты, соответствующие радиусу барабана. Размер хорды сегмента не более двух глубин проникновения волны. Электропривод 3 ячеистого барабана 5 первого яруса расположен на поверхности полусферического резонатора 4. Второй ячеистый барабан 9 приводится в движение за счет сцепления зубчатой диэлектрической шестеренки и диэлектрического венца 11 на барабане 9. Электропривод 19 третьего ячеистого барабана расположен за пределами усеченного конического резонатора 15. Под открытым сегментом 18 на малом основании 17 усеченного конического резонатора 15 расположена неферромагнитная приемная емкость 20. К боковым поверхностям всех резонаторов 4, 10, 15 с противоположных сторон прикреплены воздухоотводы 27, 7, 13 и воздуховоды 25, 23, 21 от тепловых пушек, направленные снизу вверх, против движения сырья в ячейках барабанов по высоте. Использование изобретения позволит повысить качество обработки хмеля. 8 ил.

СВЧ-конвективная хмелесушилка непрерывно-поточного действия, характеризующаяся тем, что она имеет поярусно расположенные неферромагнитные резонаторы полусферической, цилиндрической и усеченной конической формы, состыкованные между собой основаниями равного диаметра, при этом по периметру резонаторов со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами воздушного охлаждения, излучатели которых направлены в соответствующие резонаторы, кроме того, в каждом неферромагнитном резонаторе соосно вертикально установлены диэлектрические перфорированные ячеистые электроприводные барабаны, имеющие диаметр, равный диаметру малого основания усеченного конического резонатора, и высоту, равную высоте соответствующих резонаторов, причем в полусферическом резонаторе вырезан сегмент размером поперечного сечения ячейки барабана, в котором установлена неферромагнитная загрузочная емкость, а на всех основаниях резонаторов, на уровне ячеек диэлектрических барабанов вырезаны радиальные сегменты, соответствующие радиусу барабана, и хордой не более чем две глубины проникновения волны, при этом электропривод ячеистого барабана первого яруса расположен на поверхности полусферического резонатора, второй ячеистый барабан приводится в движение за счет сцепления зубчатой диэлектрической шестеренки и диэлектрического венца на барабане, а электропривод ячеистого барабана третьего яруса расположен за пределами усеченного конического резонатора, коме того, под открытым сегментом на малом основании усеченного конического резонатора расположена неферромагнитная приемная емкость, а к боковым поверхностям всех резонаторов с противоположных сторон прикреплены воздухоотводы и воздуховоды от тепловой пушки, направленные снизу вверх против движения сырья в ячейках барабана.