СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ЖИРОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ Российский патент 2023 года по МПК C11B13/00 

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для вытопки обеззараженного жира из жиросодержащего сырья (мышечного, внутреннего жира КРС, овец, свиней, кур и т.п.) в перерабатывающих цехах фермерских хозяйств.

Термообработку жиросодержащего сырья применяют для вытопки жира. Для извлечения жира из жиросодержащего сырья используют конвективный и кондуктивный методы подвода теплоты. Конвективный нагрев происходит при контакте сырья с острым паром, при кондуктивном - теплота подводится через стенку от глухого пара. Чтобы извлечь жир из жиросодержащей ткани, необходимо разрушить белковую структуру, содержащую жир, перевести его из внутриклеточной фазы во внеклеточную, свободную фазу и затем удалить во внешнюю среду [1, стр. 322]. Применяют: автоклавы, вакуумные котлы (периодического действия); шнековые, барабанные, роторные аппараты (непрерывного действия). Имеются комбинированные аппараты, совмещающие термообработку и измельчение сырья. В аппаратах периодического действия процесс термообработки сырья составляет 4-4,5 часа, следовательно, ухудшается качество жира и шквары. При обработке жиросодержащего сырья повышение температуры выше 120-130°С нежелательно, так как это приводит к ухудшению качества конечной продукции. Наиболее эффективный способ интенсификации теплообмена - это использование энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) для воздействия на измельченное сырье. Известно, что при измельчении увеличивается поверхность теплообмена. Допустимые размеры измельченных частиц определяются технологическими требованиями к процессу (2,5-3 см), и согласовываются с глубиной проникновения волны. Измельчение сырья необходимо провести до подачи в рабочую камеру.

Известно, что удельная теплота не зависит от способа подвода энергии. Продолжительность достижения необходимых температур в массе продукта определяется характеристиками процесса: видом подвода энергии, интенсивностью переноса теплоты и массы, соотношением объема, площади поверхности и определяющего размера сырья и его физических свойств.

Существуют СВЧ-установки для вытопки жира, разного конструкционного исполнения с цилиндрическими, сферическими и другими резонаторами периодического и непрерывного режима работы. Все они содержат экранирующий корпус, тем не менее мощность потока излучений достигает до 250-300 мкВт/см², а предельно допустимый уровень (ПДУ) всего 10 мкВт/см² [2].

Аналогом является СВЧ-установка с квазистационарным тороидальным резонатором для вытопки обеззараженного жира из измельченного жиросодержащего сырья в непрерывном режиме [3]. Недостатками являются сложность дозированной подачи сырья и выгрузки шквары; не возможность регулирования скорости нагрева сырья в процессе отделения жира от шквары.

Прототипом является СВЧ-установка с передвижными полусферическими резонаторами, расположенными на венце внутри цилиндрического экранирующего корпуса [4]. Недостатками являются достаточно высокие энергетические затраты - 0,2-0,25 кВт⋅ч/кг; наличие экранирующего корпуса влияющего на увеличение балансовой стоимости установки, а следовательно эксплуатационные затраты; низкий термический КПД установки; напряженность электрического поля в сферическом резонаторе можно регулировать только изменением мощности генератора.

Поэтому разработка радиогерметичной СВЧ-установки непрерывно-поточного действия для термообработки и обеззараживания жиросодержащего сырья при низких эксплуатационных затратах и высоком термическом коэффициенте полезного действия с регулируемой напряженностью электрического поля в процессе вытопки остается актуальной.

Целью работы является разработка СВЧ-установки непрерывно-поточного действия с магнетронами воздушного охлаждения и резонатором в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей, способствующего повышению термического КПД и сохранению высокой напряженности электрического поля и радиогерметичности без экранирующего корпуса при вытопке обеззараженного жира из жиросодержащего сырья.

Технический результат достигается тем, что СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья содержит горизонтально расположенный неферромагнитный резонатор в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей, при этом на его большое основание соосно установлено вогнутое керамическое зеркало,

причем вдоль резонатора размещен диэлектрический винтовой шнек с уменьшающимся шагом и диаметром витка к малому основанию резонатора,

при этом сверху на боковую поверхность резонатора, где имеется загрузочное окно с заслонкой, установлен верхний шлюзовой затвор с соприкосновением к большому основанию, а нижний шлюзовой затвор - к боковой поверхности, где предусмотрено выгрузное окно, с соприкосновением к малому основанию резонатора,

причем с нижней стороны часть боковой поверхности резонатора у большого основания, перфорирована, под которой установлена приемная емкость,

при этом над верхним шлюзовым затвором размещена загрузочная емкость, а магнетроны установлены со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности резонатора, так, что излучатели направлены через волноводы в резонатор, а отсеки шлюзовых затворов образованы между неферромагнитными согнутыми лопастями.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:

фиг. 1 - схематическое изображение СВЧ-установки для термообработки жиросодержащего сырья;

фиг. 2 - пространственное изображение СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья (общий вид);

фиг. 3 - пространственное изображение СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья (в разрезе, с позициями);

Фиг. 4 - пространственное изображение СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья (в разрезе, вид спереди);

фиг.5 - пространственное изображение диэлектрического шнека с уменьшающим шагом и диаметром витка;

фиг. 6 - пространственное изображение керамического зеркала;

фиг. 7 - пространственное изображение отсеков шлюзового затвора;

СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья (фиг. 1-7) содержит: верхний шлюзовой затвор 1 из неферромагнитного материала для подачи измельченного сырья;

резонатор 2 в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей; винтовой шнек 3 из диэлектрического материала с диэлектрическим валом; нижний шлюзовой затвор 4 из неферромагнитного материала для выгрузки шквары;

окно 5 с заслонкой на боковой поверхности резонатора, над нижним шлюзовым затвором 4;

электропривод 6 нижнего шлюзового затвора 4; магнетроны 7 воздушного охлаждения с волноводами;

перфорированная часть 8 боковой поверхности резонатора до большого основания 11 резонатора;

неферромагнитная приемная емкость 9 для вытопленного жира; вогнутое керамическое зеркало 10;

большое основание 11 резонатора 2, выполненного в виде усеченного конуса; электропривод 12 винтового шнека 3 из диэлектрического материала с диэлектрическим валом;

окно с заслонкой 13 на боковой поверхности резонатора 2; электропривод 14 верхнего шлюзового затвора 1; загрузочная емкость 15.

СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья (фиг. 1-7) выполнена в виде горизонтально расположенного усеченного конуса с экспоненциальной образующей из неферромагнитного материала (алюминия, меди и т.п.). Усеченный конус выполняет функцию объемного резонатора 2. На его большое основание 11 установлено вогнутое керамическое зеркало 10, диаметром равным диаметру основания. Внутрь резонатора 2 размещен винтовой шнек 3 из диэлектрического материала на диэлектрическом валу, соединенный с электроприводом 12. Шаг витка шнека уменьшается в сторону малого основания резонатора. Диаметр витка шнека уменьшается также как экспоненциальная образующая усеченного конуса резонатора 2.

Сверху на боковой поверхности резонатора, около основания имеется окно с заслонкой 13. Над этим окном установлен верхний шлюзовой затвор 1 с электроприводом 14. К верхнему шлюзовому затвору 1 пристыкована загрузочная емкость 15. Отсеки: верхнего шлюзового затвора 1 и нижнего шлюзового затвора 4 образованы между неферромагнитными согнутыми лопастями.

Снизу на боковой поверхности резонатора, около малого основания резонатора имеется окно 5, к которому пристыкован нижний шлюзовой затвор 4 с электроприводом 6, а у большого основания резонатора часть боковой поверхности перфорирована 8, под перфорацией установлена приемная емкость 9.

Магнетроны воздушного охлаждения с волноводами 7 установлены со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности резонатора так, что излучатели направлены через волноводы в резонатор 2.

Диаметр большого основания резонатора и его длины кратны половине длины волны (длина волны 12,24 см, частота электромагнитного поля 2450 МГц).

Технологический процесс происходит следующим образом. Загрузить измельченное жиросодержащее сырье в загрузочную емкость 15 над верхним шлюзовым затвором 1. Включить электропривод 6 нижнего шлюзового затвора 4, включить электропривод 12 винтового шнека 3 из диэлектрического материала, открыть заслонку 13, включить электропривод 14 верхнего шлюзового затвора 1. После того как измельченное жиросодержащее сырье через верхний шлюзовой затвор 1 дозированно поступает в резонатор 2 и перемещается с помощью винтового шнека 3, включить СВЧ генератора 7.

Шлюзовые затворы: (верхний 1 и нижний 4) обеспечивают дозированную подачу сырья в резонатор 2 и выгрузку шквары из резонатора, соответственно.

В электромагнитном поле сверхвысокой частоты жиросодержащее сырье является гетерогенной средой, при частоте 2450 МГц характерна дипольная поляризация. Энергия, затрачиваемая на поляризацию сырья, генерируется в виде тепла. Нагрев жиросодержащего сырья происходит достаточно интенсивно. Поэтому в сырье, нагретом выше 90°С, возникает градиент давления, этому способствует диффузия скольжения в капиллярах, так как температура в центре частиц сырья больше, чем на его поверхности. Следовательно, плавленый жир отделяется от шквары, стекает по внутренней экспоненциальной боковой поверхности резонатора и через перфорированную часть 8 стекает в приемную емкость 9, а шквара передвигается витками шнека 3 до нижнего шлюзового затвора 4 и порционно выгружается в другую емкость.

Качество готовой продукции (жира и шквары) зависит от совместного действия факторов: максимальной температуры, продолжительности воздействия ЭМПСВЧ, напряженности электрического поля. Наименьшая продолжительность обработки определяется продолжительностью плавления и напряженностью электрического поля, при которой происходит уничтожения патогенной микрофлоры при данной температуре процесса.

Равномерность нагрева сырья обеспечивается также за счет того, что шаг витка шнека менее, чем две глубины проникновения волны в сырье (2,5-4 см).

Вогнутое зеркало из керамики, в котором отражающая поверхность и центр кривизны падает на одну и ту же сторону зеркала, обладает оптической системой формирования падающих и отраженных волн.

Использование вогнутого керамического зеркала 10, расположенного на большом основании 11 как часть резонатора 2 позволяет поддерживать свободные электромагнитные колебания разных видов, удовлетворяющие условиям границы раздела (сырье-воздух), т.е. условиям полного внутреннего отражения (малые радиационные потери) при диэлектрической проницаемости жиросодержащего сырья (4-5, жир КРС, свиней, овец, кур). Керамика обладает малыми тепловыми потерями, так как тангенс угла диэлектрических потерь всего 0,003, следовательно, собственная добротность резонатора выше, чем без керамического диска. [5, стр. 359]. При размерах диска значительно превышающих длину волны, собственная добротность резонатора может достичь до 10000. Концентрация энергии электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшение потерь на излучение достигается благодаря применению вогнутого керамического зеркала 10.

Особенностью резонатора, содержащего керамический диск, является многомодовость, это значит, что равномерность нагрева сырья обеспечивают и отраженные от вогнутого керамического зеркала волны, которые полностью концентрируются в сырье.

Радио герметичность обеспечивается за счет неферромагнитных дугообразных лопастей верхнего шлюзового затвора 1 и нижнего шлюзового затвора 4. Неферромагнитные дугообразные лопасти перекрывают электромагнитное излучение в процессе непрерывного режима работы установки, а через отверстия в перфорированной части 8 боковой поверхности резонатора излучение ограничивается неферромагнитной приемной емкостью 9.

Известно, что в коническом резонаторе вырождение типов колебаний H₀₁₁ и Е₁₁₁ (паразитные типы колебаний) устраняются [6]. Конический резонатор с экспоненциальной образующей и вогнутое керамическое зеркало повышают концентрацию энергии электромагнитных волн в сырье, происходит полное поглощение энергии сырьем. Система генератор-резонатор идеально будет согласована с нагрузкой, так как волны отраженные от вогнутой поверхности керамического зеркала полностью концентрируются на сырье, если резонатор имеет криволинейную поверхность. Поэтому усеченный конический резонатор имеет экспоненциальную образующую, т.е. криволинейную поверхность.

Источники информации:

1. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 1. - М.: Колос, 2001. - 552 с.

2. Белова М.В. Разработка сверхвысокочастотных установок для термообработки сельскохозяйственного сырья: автореферат дис...доктора технических наук. 05.20.02. - М.: ВИЭСХ, 2016. - 39 с.

3. Патент №2726565 РФ, МПК С11В 1/12. СВЧ установка с квазистационарным тороидальным резонатором для вытопки обеззараженного жира из измельченного жиросодержащего сырья в непрерывном режиме / А.А. Тихонов, А.В. Казаков, Г.В. Новикова, М.В. Белова, О.В. Михайлова; заявитель и патентообладатель НГСХА (RU). №2019122928; заявл. 16.07.2019. Бюл. №20 от 14.07.2020. - 14 с.

4. Патент №2591126 РФ, МПК С11В 1/12. Установка для вытопки жира в электромагнитном поле сверхвысокой частоты / Селиванов И.М., Белова М.В., Белов А.А., Ершова И.Г., Михайлова О.В.; заявитель и патентообладатель АНОВО «АТУ» (RU). №2015116255; заявл. 25.04.2015. Бюл. №19 от 10.07.2016. - 13 с.

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

6. Дробахин О.О., Заболотный П.И. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами // Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 4, с. 433-441.

Изобретение относится к масложировой промышленности. СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья непрерывно-поточного действия характеризуется тем, что имеет горизонтально расположенный неферромагнитный резонатор в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей, при этом на его большое основание соосно установлено вогнутое керамическое зеркало, причем вдоль резонатора размещен диэлектрический винтовой шнек с уменьшающимся шагом и диаметром витка к малому основанию резонатора, при этом сверху на боковой поверхности резонатора размещена загрузочная емкость с соприкосновением к большому основанию и под ней установлен верхний шлюзовой затвор, загрузочное окно с заслонкой, а нижний шлюзовой затвор - к боковой поверхности, где предусмотрено выгрузное окно, с соприкосновением к малому основанию резонатора, причем с нижней стороны часть боковой поверхности резонатора у большого основания, перфорирована, под которой установлена приемная емкость, при этом магнетроны воздушного охлаждения с волноводами установлены со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности резонатора так, что излучатели направлены через волноводы в резонатор, а отсеки шлюзовых затворов образованы между неферромагнитными согнутыми лопастями. Изобретение позволяет улучшить качество вытапливаемого жира, за счет повышения термического КПД и сохранения высокой напряженности электрического поля. 7 ил.

СВЧ-установка для термообработки жиросодержащего сырья непрерывно-поточного действия, характеризующаяся тем, что имеет горизонтально расположенный неферромагнитный резонатор в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей, при этом на его большое основание соосно установлено вогнутое керамическое зеркало,

причем вдоль резонатора размещен диэлектрический винтовой шнек с уменьшающимся шагом и диаметром витка к малому основанию резонатора,

при этом сверху на боковой поверхности резонатора размещена загрузочная емкость с соприкосновением к большому основанию и под ней установлен верхний шлюзовой затвор, загрузочное окно с заслонкой, а нижний шлюзовой затвор - к боковой поверхности, где предусмотрено выгрузное окно, с соприкосновением к малому основанию резонатора,

причем с нижней стороны часть боковой поверхности резонатора у большого основания перфорирована, под которой установлена приемная емкость,

при этом магнетроны воздушного охлаждения с волноводами установлены со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности резонатора так, что излучатели направлены через волноводы в резонатор, а отсеки шлюзовых затворов образованы между неферромагнитными согнутыми лопастями.