Установка с СВЧ энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения Российский патент 2024 года по МПК A23K10/00 B02C19/20 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в фермерских хозяйствах для термообработки вторичного сырья животного происхождения (отходы убоя животных, отходы переработки мясного сырья и т.д.) воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) при измельчении в непрерывном режиме с сохранением кормовой ценности продукта.

При переработке убойных птиц и животных остается вторичное сырье, которое по мере накопления направляется в вакуумные котлы, стерилизации и дальнейшей сушки вырабатывают мясокостную муку. Из-за длительности контакта сырья с высокотемпературным теплоносителем не удается в полном объеме сохранить кормовую ценность продукта, к тому же энергозатраты (30 кВт⋅ч/т) и расход пара (1200 кг/т) достаточно высокие [1].

Известны аппараты для тепловой обработки жирового сырья, работающие по способу прямого контакта, с измельчительными механизмами. Это центробежные машины различной конструкции, обеспечивающие измельчение и плавление жирового сырья за короткие промежутки времени для непрерывно-поточной линии. Например, основным рабочим органом является перфорированный барабан, подвижный и неподвижный ножи [2].

Первостепенной задачей является сохранение кормовой ценности вторичного сырья животного происхождения при термообработке в непрерывном режиме в условиях фермерских хозяйств.

Научная проблема - низкая энергоэффективность установок для термообработки вторичного биологического сырья решается путем разработки технологии и техники с СВЧ энергоподводом, реализация которых обеспечивает сохранение кормовой ценности продукта при сниженных эксплуатационных затратах.

Наиболее близким устройством по совокупности существенных признаков является СВЧ установка непрерывно-поточного действия с биконическим резонатором и шнеком для варки отходов убоя животных (патент № 2729151) [3]. Установка обеспечивает термообработку предварительно измельченных непищевых отходов при перемещении через биконический резонатор электроприводным диэлектрическим винтовым шнеком. Недостаток - энергоэффективность установки не отвечает требованиям фермерских хозяйств.

Известна гребенчатая замедляющая система, в которой электромагнитные волны распространяются вдоль гребенок, шаг которых мал по сравнению с длиной волны, а толщина зуба значительно меньше величины шага [4].

Известна система в виде гофрированного рупора [5] (по аналогии выполнен усеченный конус разработанного биконического резонатора).

Заявляемое изобретение направлено на решение технической проблемы - термообработки в ЭМПСВЧ вторичного сырья животного происхождения при измельчении, позволяющей снизить эксплуатационные затраты и сохранить кормовую ценность продукта.

Технический результат , который может быть получен при осуществлении изобретения - термообработка в ЭМПСВЧ вторичного сырья животного происхождения при непрерывном измельчении с соблюдением электромагнитной безопасности без экранирующего корпуса и обеспечением надежности в эксплуатации за счет улучшения контакта измельчающего рабочего органа с сырьем.

Существенное отличие установки - в биконическом неферромагнитном резонаторе, внутренняя поверхность выполнена в виде гребенчатой замедляющей системы, где между гребенками расположены неферромагнитные ободки колес с диэлектрическими полотнами, зазубренными с двух сторон, а колеса поярусно закреплены на диэлектрическом валу, образуя электроприводной измельчитель.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата установка с СВЧ энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения содержит

вертикально расположенный неферромагнитный биконический резонатор в виде усеченных конусов с общим основанием круглого сечения и внутренней поверхностью, выполненной в виде неферромагнитных ножевых гребенок, высотой менее четверти длины волны и шагом половины длины волны, в пазах которых перемещаются абразивные ободки диэлектрических колес с диэлектрическими полотнами, зазубренными с двух сторон и ступицами,

причем диэлектрические колеса с помощью диэлектрических пальцев поярусно закреплены на диэлектрическом электроприводном валу, соосно расположенном в неферромагнитном биконическом резонаторе, на малых основаниях которого расположены неферромагнитные загрузочная и приемная емкости с электроприводными неферромагнитными винтовыми шнеками,

при этом отверстия для диэлектрических пальцев по высоте диэлектрического электроприводного вала сдвинуты так, что диэлектрические полотна, в поярусно расположенных диэлектрических колесах, не перекрывают друг друга,

причем волноводы с магнетронами расположены по периметру поверхности биконического резонатора, со сдвигом на 120 градусов, через равные промежутки по высоте.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены пространственные изображения:

- установки с СВЧ энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения, общий вид в разрезе с позициями (фиг. 1);

- нижний неферромагнитный усеченный конус с гребенчатой внутренней поверхностью (фиг. 2);

- диэлектрического колеса с абразивным ободком и ступицей, с диэлектрическими полотнами, зазубренными с двух сторон разного диаметра для соответствующих ярусов (фиг. 3-7); на фиг. 3 приведены позиции на абразивный ободок 10, диэлектрические полотна 11, ступицу 12, а на фиг. 4-7 диэлектрические колеса для других ярусов, без позиций с другими диаметрами.

- неферромагнитного биконического резонатора (фиг. 8);

- диэлектрические колеса на валу (ротор-измельчитель) (фиг. 9).

Установка с СВЧ энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения содержит (фиг. 1-9):

- неферромагнитную загрузочную емкость 1;

- электроприводной неферромагнитный винтовой шнек 2 для загрузки;

- диэлектрический электроприводной вал 3;

- неферромагнитный биконический резонатор 4;

- неферромагнитные ножевые гребенки 5;

- диэлектрические колеса 6;

- волноводы с магнетронами 7 воздушного охлаждения;

- электроприводной неферромагнитный винтовой шнек 8 для выгрузки;

- неферромагнитную приемную емкость 9;

- абразивные ободки 10;

- диэлектрические полотна 11 зазубренные с двух сторон;

- диэлектрические ступицы 12;

- диэлектрические пальцы 13.

Установка с СВЧ энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения (фиг. 1-9) содержит вертикально расположенный неферромагнитный биконический резонатор 4 в виде усеченных конусов, с общим основанием круглого сечения. Внутренняя поверхность неферромагнитного биконического резонатора выполнена в виде неферромагнитных ножевых гребенок 5 равной высоты. Между гребенками имеются пазы, в них расположены абразивные ободки 10 диэлектрических колес 6. Каждое диэлектрическое колесо 6, диаметром соответствующим диаметру (фиг 4-7) состоит из абразивного ободка 10, диэлектрических полотен 11 зазубренных с двух сторон и ступицы 12 (ступица - это центральная часть колеса, соединяющая посредством полотен 11 с ободком 10).

Между абразивным ободком 10 и поверхностью паза ножевой неферромагнитной ножевой гребенки 5 имеется зазор, позволяющий свободно вращаться диэлектрическому колесу, прикрепленного на диэлектрический электроприводной вал 3 с помощью ступицы 12. Диэлектрический электроприводной вал вращается от реверсивного электродвигателя, т.е. колеса можно вращать в любую сторону. Это позволит снизить износ режущих неферромагнитных ножевых гребенок 5 и зубьев диэлектрических полотен 11. Диэлектрические колеса 6 с абразивными ободками 10, диэлектрическими полотнами 11 зазубренными с двух сторон и ступицами 12 поярусно закреплены на диэлектрическом электроприводном валу 3 и представлены как измельчающий механизм, соосно расположенный в неферромагнитном биконическом резонаторе 4. Диаметры диэлектрических колес подобраны так, чтобы их абразивные ободки 10 находились в соответствующих пазах ножевых гребенок 5, а диэлектрическая ступица 12 закрепилась на диэлектрическом валу 3. На малых основаниях неферромагнитного биконического резонатора (усеченные конусы с общим большим основанием) расположены загрузочная 1 и приемная 9 емкости с электроприводными неферромагнитными винтовыми шнеками 2, 8, соответственно. Волноводы с магнетронами 7 воздушного охлаждения расположены по периметру на поверхности неферромагнитного биконического резонатора, со сдвигом на 120 градусов, через равные промежутки по высоте резонатора.

Технологический процесс происходит следующим образом. Включить электроприводы 3 измельчающего механизма и неферромагнитного винтового шнека 2. Загружаемое в емкость 1 сырье, частично измельченное электроприводным неферромагнитным винтовым шнеком 2, поступает через отверстие на малом верхнем основании в неферромагнитный биконический резонатор 4, где попадает на вращающиеся диэлектрические колеса 6 с диэлектрическими полотнами 11 зазубренными с двух сторон и абразивными ободками 10 (ободки выполнены из абразивного материала). Далее включить волноводы с магнетронами 7 воздушного охлаждения, после чего в неферромагнитном биконическом резонаторе возбуждается электромагнитное поле сантиметрового диапазона (2450 МГц, длина волны 12,24 см). С помощью диэлектрических колес 6 сырье за счет центробежной силы отбрасывается к внутренней поверхности неферромагнитного биконического резонатора с неферромагнитными ножевыми гребенками 5. Неферромагнитные ножевые гребенки 5 выполняют функцию деки. Сырье ударом быстровращающегося рабочего органа (поярусно расположенных диэлектрических колес 6) о неферромагнитные ножевые гребенки, измельчается. Степень измельчения зависит от скорости вращения диэлектрических колес 6 и их количества, структурно-механических свойств сырья, угла встречи ножевой поверхности неферромагнитных гребенок 5 с сырьем и зернистости абразивного материала ободка 10, а также зубьев диэлектрических полотен 11. Окружная скорость диэлектрических колес 6 может быть различной, в зависимости от вида сырья (40-70 м/с). Скорость вращения рабочего органа должна быть достаточной (150-250 об/мин) для того, чтобы энергии удара хватило на совершение работы по измельчению частиц сырья. Большое число столкновений при достаточной частоте вращения колес приводит к высокой степени измельчения сырья. При многократном ударе рабочих органов (абразивных ободков 10, неферромагнитных ножевых гребенок 5 и диэлектрических полотен 11, зазубренных с двух сторон) происходит гарантированное измельчение сырья. Частицы вторичного сырья животного происхождения в результате вращения диэлектрических колес и воздушного потока, создаваемого быстровращающимся рабочим органом, вовлекаются во вращательное движение, что приводит к их тонкому измельчению. На начальном этапе влажное мясное сырье, поступающее в неферромагнитный биконический резонатор, под воздействием ЭМПСВЧ нагревается за счет токов поляризации. Далее сырье, перемещаясь в объеме неферромагнитного биконического резонатора 4, многократно ударяется о режущие рабочие органы, поярусно расположенных диэлектрических колес 6, тонко измельчается, варится и обеззараживается. Сырье равномерно распределяется между диэлектрическими полотнами 11, зазубренными с двух сторон и перемещается вдоль неферромагнитного биконического резонатора 4. В нижнем усеченном конусе сырье начинает уплотняться за счет конусности и напряженность электрического поля возрастает, что обеспечивает снижение бактериальной обсемененности продукта. Готовая продукция выгружается через отверстие на нижнем малом основании неферромагнитного биконического резонатора 4, с помощью неферромагнитного электроприводного винтового шнека 8. Частоту вращения неферромагнитного электроприводного винтового шнека 8 для выгрузки необходимо согласовать с продолжительностью воздействия ЭМПСВЧ при определенной дозе воздействия, учитывающей удельную мощность генератора (отношение мощности генератора на массу сырья в резонаторе). Необходима также балансировка быстровращающегося рабочего органа, в противном случае снижается эффективность измельчения.

После завершения технологического процесса термообработки измельченного вторичного сырья животного происхождения, выключить электропривод неферромагнитного винтового шнека 2, далее выключить магнетроны 7 воздушного охлаждения. После выгрузки всей продукции из неферромагнитного биконического резонатора 4, остановить реверсивный электродвигатель (показан диэлектрический вал 3) измельчающего механизма 6 (диэлектрические колеса) и электродвигатель винтового шнека 8. Далее провести санитарную обработку.

Достоинства данной установки заключается в ее универсальности и радиогерметичности. С ее помощью можно измельчать и провести термообработку практически все виды мясного сырья в непрерывном режиме. Установка имеет небольшие габариты (1,3 х 0,4 м), производительность 40-50 кг/ч при мощности генератора 6 кВт, удельные энергетические затраты 0,18-0,2 кВт⋅ч/кг, в зависимости от вида вторичного сырья и необходимой консистентности вареного белкового корма. Применение реверсивного привода рабочего органа (поярусно расположенных колес) повысит ресурс, равномерно изнашиваются зубья на диэлектрических полотнах 11 и неферромагнитные ножевые гребенки 5. Причем, диэлектрические колеса 6 можно перевернуть, если зубья с одной стороны диэлектрических полотен 11 износилась.

Установка выдерживает различные температурные режимы, так как диэлектрические элементы выполнены из толстого фторопласта и обладает оптимальными механическими и прочностными характеристиками. Неферромагнитные винтовые шнеки 2 и 8 ограничивают излучение до допустимого уровня 10 мкВт/см² через малые основания неферромагнитного биконического резонатора 4 при равномерной загрузке сырья и выгрузки готового продукта.

Неферромагнитные биконические резонаторы по сравнению с цилиндрическим резонатором исключают вырождение паразитных типов колебаний, что позволяет достичь высоких значений собственной добротности. Соответствующим выбором угла при вершине конуса можно сформировать электромагнитное поле, сконцентрированное в основном в центральной области резонатора [5]. В конической части резонатора напряженность электрического поля высокая (0,6-1,5 кВ/см), достаточная для стерилизации продукта. Биконический резонатор обеспечивает электромагнитную безопасность без дополнительного экранирующего корпуса, так как конические части отсечены на уровне критического сечения [6].

Продолжительность достижения необходимых температур в массе сырья определяется характеристиками процесса: напряженностью электрического поля, удельной мощностью генератора, соотношением объема, площади поверхности (характеризует собственную добротность резонатора) и определяющего размера частиц сырья и его электрофизических свойств (фактор диэлектрических потерь, теплоемкость, глубина проникновения волны).

Известно, что сырье равномерно нагреется, если толщина менее, чем две глубины проникновения волны. Например, для сырья с низким содержанием воды на частоте 2450 МГц (жир, кости) глубина проникновения равна 9-11,2 см, а с высоким содержанием воды - 1,2-1,7 см [7].

Поэтому в резонаторе предусмотрено измельчение сырья за счет многократного удара, при этом инновационная идея состоит в том, что за счет гребенчатой внутренней поверхности неферромагнитного биконического резонатора электрическое поле концентрируется на каждом ярусе колес, где происходит завихрение сырья. Причем, напряженность электрического поля в конической части резонатора увеличивается, а значит, скорость нагрева сырья повышается. Шаг неферромагнитных ножевых гребенок 5 выбран менее, чем две глубины проникновения волны для сырья со средним содержанием воды, а именно в пределах 5-7 см, т.е. в среднем половины длины волны.

Источники информации:

1. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. М.: Колос, 2001. - 552 с. (330 стр.)

2. Технологическое оборудование пищевых производств / под ред. Азарова Б.М.. М.: ВО Агропромиздат, 1988. - 463 с (стр. 260).

3. Патент № 2729151 РФ, МПК А23К10/26. Сверхвысокочастотная установка с биконическим резонатором и шнеком для варки отходов убоя животных / Жданкин Г.В., Белова М.В., Михайлова О.В., Лаврентьева Т.Н.; заявитель и патентообладатель НГСХА (RU). - № 2018112186; заявл. 5.02. 2018. Бюл. № 22 от 04.08.2020. - 13 с.

4. Баскаков С.И. Электродинамика и распространения волн. М.: URSS/ 2012/ 416 c. (стр. 98).

5. Объемные резонаторы, волноводы, рупоры и замедляющие системы. СВЧ радиотехника. https://yandex.ru/video/preview/17723998535324180331. Электронный ресурс. Дата обращения 9.05.2023.

6. Дробахин, О.О. Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия, 2009, Т.1, № 4, - С. 433-441.

Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / И.А. Рогов.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, 288 с (стр. 106-107).

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в фермерских хозяйствах для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения в непрерывном режиме с сохранением кормовой ценности. Установка с СВЧ энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения содержит вертикально расположенный неферромагнитный биконический резонатор 4 в виде усеченных конусов с общим основанием круглого сечения и с внутренней поверхностью, выполненной в виде неферромагнитных ножевых гребенок 5, высотой менее чем четверть длины волны и шагом половины длины волны. В пазах гребенок 5 перемещаются абразивные ободки 10 колес 6 с диэлектрическими полотнами 11, зазубренными с двух сторон, и ступицами 12. Колеса с помощью диэлектрических пальцев 13 поярусно закреплены на диэлектрическом электроприводном валу 3. Они расположены соосно в неферромагнитном биконическом резонаторе 4. На малых основаниях усеченных конусов расположены загрузочная 1 и приемная 9 емкости с неферромагнитными винтовыми шнеками 2 и 8. Отверстия для диэлектрических пальцев 13 по высоте вала 3 сдвинуты так, что диэлектрические полотна 11 в поярусно расположенных колесах 6 не перекрывают друг друга. Волноводы с магнетронами 7 расположены по периметру поверхности неферромагнитного биконического резонатора 4, со сдвигом на 120 градусов, через равные промежутки по высоте. 9 ил.

Установка с СВЧ энергоподводом в биконический резонатор для измельчения и термообработки вторичного сырья животного происхождения, содержащая

вертикально расположенный неферромагнитный биконический резонатор в виде усеченных конусов с общим основанием круглого сечения и внутренней поверхностью, выполненной в виде неферромагнитных ножевых гребенок, высотой менее четверти длины волны и шагом половины длины волны, в пазах которых перемещаются абразивные ободки диэлектрических колес с диэлектрическими полотнами, зазубренными с двух сторон, и ступицами,

причем диэлектрические колеса с помощью диэлектрических пальцев поярусно закреплены на диэлектрическом электроприводном валу, соосно расположенном в неферромагнитном биконическом резонаторе, на малых основаниях которого расположены неферромагнитные загрузочная и приемная емкости с электроприводными неферромагнитными винтовыми шнеками,

при этом отверстия для диэлектрических пальцев по высоте диэлектрического электроприводного вала сдвинуты так, что диэлектрические полотна в поярусно расположенных диэлектрических колесах не перекрывают друг друга,

причем волноводы с магнетронами расположены по периметру поверхности биконического резонатора, со сдвигом на 120 градусов, через равные промежутки по высоте.