Шелушитель семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор Российский патент 2024 года по МПК B02B3/02 

Предполагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к зерноперерабатывающему оборудованию, предназначенному для отделения оболочки семян рапса от ядра при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты.

Существующие способы и машины для шелушения, предназначенные для зерновых культур [1] невозможно использовать для семян рапса, из-за их структуры и физико-механических свойств (хрупкость, низкая влажность -4%, мелкие семена - 1 мм). Машины представляют собой комбинации шелушителя и аспиратора для отделения лузги. Недостаток шелушильных машин - это высокий расход электроэнергии, т.е. на шелушение 1 т зерна затрачивается до 75 кВт⋅ч.

Известна установка для шелушения рапса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), состоящая из двух модулей [2]. Первый модуль предназначен для отволаживания семян рапса, второй модуль представлен в виде цилиндрического перфорированного резонатора в экранирующем корпусе с поярусно расположенными электроприводными дисками из мелкозернистого абразивного материала и полым диэлектрическим валом для циркуляции воздуха.

Известна установка с тремя поярусно расположенными модулями [3]. Первый модуль обеспечивает распыление воды. Второй модуль представлен виде цилиндрического резонатора с соосно расположенным электроприводным фторопластовым шнеком, винты, которых покрыты мелкозернистым абразивным материалом. В третьем модуле расположены лопасти вентилятора, покрытые также абразивным материалом.

Недостатки. В обеих установках (двухмодульная и трехмодульная) с СВЧ энергоподводом в цилиндрический резонатор - это трудности согласования режимных параметров каждого модуля, отсюда дробление ядра и потери.

Известны ударные шелушители JHI, предназначенные для шелушения масличных культур, у которых ядро плотно не прилегает к шелухе (конопля, подсолнечник и т.п.). Если ядро плотно прилегает к оболочке, то рекомендуют шелушитель JHP. [4]. Энергетические затраты при этом составляют 20-25 кВт⋅ч/т.Такое оборудование достаточно дорогое для агропредприятий и не позволяет качественно шелушить хрупкие семена рапса.

Наиболее близким по технической сущности, взятым в качестве прототипа, является воздушный сепаратор Р3-БСД, предназначенный для выделения примесей, отличающихся от зерна аэродинамическими свойствами, и для отделения транспортирующего воздуха от зерна [1]. Отдельные узлы сепаратора позволяют транспортировать семена рапса и циркуляцию воздуха, но нет узлов, позволяющих шелушить семена рапса с отделением лузги от ядра.

Анализ известных технических решений показал, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала средств используемых для качественного шелушения рапса с отделением лузги от ядра и сохранением его целостности.

Технический результат изобретения - повышение эффективности шелушения семян при сохранении целостности ядра.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного результата шелушитель семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор характеризующийся тем, что содержит тороидальный резонатор, конденсаторная часть которого представлена как объем между верхними основаниями соосно расположенных неферромагнитных наружного и внутреннего цилиндров, и внутри которой соосно расположен радиопрозрачный электроприводной ротор с ярусно расположенными радиопрозрачными дисками, покрытыми мелкозернистым абразивным материалом, как и радиопрозрачное отражательное кольцо, расположенное на внутренней поверхности неферромагнитного наружного цилиндра, а на верхнем основании неферромагнитного наружного цилиндра расположена неферромагнитная загрузочная емкость с задвижкой и неферромагнитный патрубок, диаметр которого не превышает четверть длины волны,

причем в конденсаторную часть тороидального резонатора направлены через волноводы излучатели от магнетронов, установленных с наружной стороны со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности неферромагнитного наружного цилиндра,

причем тороидальная часть резонатора представлена как кольцевой объем между неферромагнитными цилиндрами внутренним, не имеющим нижнего основания, и наружным с нижним кольцевым основанием, куда по наружному периметру прикреплен неферромагнитный усеченный конус, внутри которого соосно расположен радиопрозрачный скат в виде конической обечайки,

причем в кольцевом объеме по периметру боковой поверхности неферромагнитного наружного цилиндра прикреплена радиопрозрачная воронка без оснований,

а в неферромагнитном внутреннем цилиндре, имеющем на боковой поверхности с противоположных сторон отверстия в пневмосепарирующий канал, соосно размещена коническая осадочная камера, содержащая центробежный вентилятор, так, что ее коническая часть пристыкована к корпусу радиопрозрачного винтового шнека,

при этом к малому периметру обечайки радиопрозрачной воронки прикреплена цилиндрическая обечайка высотой до неферромагнитного кольцевого основания неферромагнитного наружного цилиндра, образуя пневмосепарирующий канал между боковой поверхностью неферромагнитного внутреннего цилиндра,

причем через тороидальную часть и через кольцевой канал до пневмосе-парирующего канала с противоположных сторон неферромагнитного наружного цилиндра проложены радиопрозрачные воздуховоды.

Шелушитель семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор обеспечивает:

- высокую собственную добротность, высокий термический КПД;

- ускорение процесса шелушения рапса в непрерывном режиме за счет равномерного распределения электромагнитного поля бегущей волны;

- высокую напряженность электрического поля в конденсаторной части;

- избирательный диэлектрический нагрев оболочки и ядра и многократный удар увлажненных семян, и истирание оболочки о мелкозернистые абразивные материалы на поверхности радиопрозрачных дисков ротора, отделение оболочки от ядра семян, удаление примесей через осадочную камеру и пневмо-сепарирующий канал с помощью вентилятора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

- схематическое изображение шелушителя семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор (фиг.1);

- пространственное изображение шелушителя семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор, общий вид, в разрезе (фиг.2);

- пространственное изображение шелушителя семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор, общий вид в разрезе, с позициями (фиг. 3);

- пространственное изображение неферромагнитного наружного цилиндра с неферромагнитной загрузочной емкостью и неферромагнитным конусом (фиг.4);

- пространственное изображение соосно расположенных в неферромагнитном наружном цилиндре с неферромагнитной загрузочной емкостью и неферромагнитным усеченным конусом, радиопрозрачной воронки и неферромагнитного внутреннего цилиндра (без отверстий для подачи воздуха) (фиг.5);

- пространственное изображение поярусно расположенных радиопрозрачных дисков (фиг.6);

- пространственное изображение радиопрозрачной воронки (фиг.7);

- пространственное изображение неферромагнитного внутреннего цилиндра (фиг.8);

- пространственное изображение осадочной камеры с направляющими элементами (фиг.9);

- пространственное изображение радиопрозрачного ската (фиг.10);

- пространственное изображение радиопрозрачного винтового шнека (фиг.11).

Шелушитель семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор (фиг.1-11) содержит:

- неферромагнитную загрузочную емкость 1;

- тороидальный резонатор 2;

- конденсаторную часть 3;

- радиопрозрачные диски 4;

- радиопрозрачное отражательное кольцо 5;

- неферромагнитный наружный цилиндр 6;

- радиопрозрачную воронку 7;

- кольцевой канал 8;

- радиопрозрачные воздуховоды 9;

- неферромагнитный усеченный конус 10;

- радиопрозрачный скат 11;

- радиопрозрачный винтовой шнек 12;

- усеченную часть 13 конуса;

- коническую осадочную камеру 14;

- неферромагнитное кольцевое основание 15;

- пневмосепарирующий канал 16;

- центробежный вентилятор 17;

- неферромагнитный внутренний цилиндр 18;

- магнетроны 19;

- неферромагнитный патрубок 20;

- электроприводной радиопрозрачный ротор 21.

Особенности узлов. Радиопрозрачные диски 4, покрыты мелкозернистым абразивным материалом. Усеченная часть неферромагнитного конуса 13 предназначена для выгрузки ядер рапса. Кольцевой канал 8 обеспечивает перемещение семян рапса. Радиопрозрачный шнек 12 предназначен для выгрузки тяжелых примесей. Неферромагнитный патрубок 20 предназначен для распыления воды в конденсаторную часть 3 тороидального резонатора. Магнетроны 19 установлены с волноводами и вентиляторами для охлаждения. Радиопрозрачный скат 11 выполнен в виде конической обечайки.

Шелушитель семян рапса (фиг.1-11) содержит тороидальный резонатор 2, выполненный из неферромагнитного материала (например, из алюминия).

Он представлен как соосно расположенные неферромагнитный наружный цилиндр 6 с неферромагнитным кольцевым основанием 15 и неферромагнитный внутренний цилиндр 18 без нижнего основания. При этом между верхними их основаниями образована конденсаторная часть 3 тороидального резонатора. Тороидальная часть представлена как кольцевой объем между неферромагнитным внутренним цилиндрами 18 и неферромагнитным наружным цилиндром 6, имеющим неферромагнитное кольцевое основание 15. В тороидальной части к неферромагнитному кольцевому основанию 15 соосно прикреплена радиопрозрачная воронка 7. Под неферромагнитным кольцевым основанием 15, к его наружному периметру прикреплен неферромагнитный усеченный конус 10 (усеченная часть 13). У неферромагнитного внутреннего цилиндра 18 отсутствует нижнее основание. Радиопрозрачная воронка 7 расположенная соосно в тороидальной части резонатора, представлена как усеченный конус без оснований, у которого боковая поверхность по большому периметру прикреплена к неферромагнитному наружному цилиндру 6 на уровне верхнего основания неферромагнитного внутреннего цилиндра 18. К малому периметру радиопрозрачной воронки 7 прикреплено радиопрозрачное кольцо, образуя между ним и боковой поверхностью неферромагнитного внутреннего цилиндра 18 кольцевой канал 8. В неферромагнитном внутреннем цилиндре 18 соосно установлена коническая осадочная камера 14 с направляющей муфтой снаружи и с центробежным вентилятором 17 внутри, так, что между конической осадочной камерой 14 с направляющей муфтой и боковой поверхностью неферромагнитного внутреннего цилиндра 18 образован пневмосепарирующий канал 16. Через тороидальную часть и через кольцевой канал 8 до пневмосепарирующего канала 16 с противоположных сторон неферромагнитного наружного цилиндра 6 проложены радиопрозрачные воздуховоды 9.

В конденсаторной части 3 тороидального резонатора 2 соосно расположен электроприводной радиопрозрачный ротор 21 с радиопрозрачными дисками 4, покрытыми мелкозернистым абразивным материалом. К боковой поверхности неферромагнитного наружного цилиндра 6 в конденсаторной части 3 установлено радиопрозрачное отражательное кольцо 5, покрытое мелкозернистым абразивным материалом. К боковой поверхности неферромагнитного внутреннего цилиндра 18, ниже неферромагнитного кольцевого основания 15, установлен радиопрозрачный скат 11 в виде обечайки с зазором до боковой поверхности неферромагнитного усеченного конуса 10. Вершина конической осадочной камеры 14 направлена в корпус радиопрозрачного винтового шнека 12, проложенного через неферромагнитный усеченный конус 10, под неферромагнитный внутренний цилиндр 18. На верхнем основании тороидального резонатора 2 имеется неферромагнитный патрубок 20, диаметром менее четверти длины волны, предназначенный для распыления воды и неферромагнитная загрузочная емкость 1 с задвижкой. Магнетроны 19 расположены по периметру неферромагнитного наружного цилиндра 6 со сдвигом на 120 градусов так, что излучатели направлены через волноводы в конденсаторную часть 3 и охлаждаются индивидуальными вентиляторами.

Шелушитель семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор работает следующим образом. Включить вентилятор 17 и электроприводной радиопрозрачный ротор 21. Распылить воду через неферромагнитный патрубок 20 в конденсаторную часть 3 тороидального резонатора 2. Семена рапса, поступающие в неферромагнитную загрузочную емкость 1, при открытии задвижки, падают на радиопрозрачные диски 4. Размер щели при открытии задвижки не должен превышать четверти длины волны (3,06 см) для обеспечения электромагнитной безопасности. При вращении электроприводного радиопрозрачного ротора 21 оболочка рапса истирается мелкозернистым абразивным материалом на радиопрозрачных дисках 4, и за счет центробежной силы ударяются о радиопрозрачное отражательное кольцо 5, покрытое мелкозернистым абразивным материалом. При сочетании двух способов шелушения (интенсивного истирания оболочек и многократного удара) происходит постепенное отделение лузги от ядра. Далее смесь лузги и ядра попадает в радиопрозрачную воронку 7, оттуда при прохождении через радиопрозрачный кольцевой канал 8 лузга затягивается воздушным потоком в пневмосепарирующий канал 16 через отверстия в радиопрозрачных воздуховодах 9 и отверстия на боковой поверхности неферромагнитного внутреннего цилиндра 18. Воздух затягивается через радиопрозрачные воздуховоды 9 с наружной стороны шелушителя. Смесь ядра и лузги (шелушенные оболочки) из радиопрозрачного кольцевого канала 8, при пересыпании на радиопрозрачный скат 11, продувается воздушным потоком. Ядра рапса падают в неферромагнитный усеченный конус 10, откуда попадают через усеченную часть 13 конуса в специальную тару. Лузга, захваченная воздушным потоком, уносятся через пневмосепарирующий канал 16 в коническую осадочную камеру 14, откуда с помощью радиопрозрачного винтового шнека 12 выводится в накопительную тару. Воздух засасывается центробежным вентилятором 17 через радиопрозрачные воздуховоды 9, после чего нагнетается в осадочную камеру 14 вместе с лузгой. При турбулентном движении воздушного потока в вертикальном в пневмосепарирующем канале 16, сила сопротивления зависит от динамического воздействия потока на частицу (коэффициента аэродинамического сопротивления, Миделева сечения, относительной скорости частицы, плотности воздуха). Коэффициент аэродинамического сопротивления зависит от формы частицы (ядра и оболочки) и величины критерия Рейнольдса [1].

Ядра сохраняют свою целостность, так как они прошли отволаживание в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Семена рапса достаточно увлажнять водой в процессе движения на радиопрозрачных дисках 4 и воздействия ЭМПСВЧ. Содержание влаги в оболочке и ядре семян рапса неодинаково. В ядре рапса влага в ЭМПСВЧ распространяется медленнее, чем в оболочке. При этом за счет противоположных градиентов влаги (поверхностная влага стремится в внутрь ядра, а градиент влаги в ядре 4-5% при диэлектрическом нагреве стремится к поверхности) в оболочке семян рапса появляются микротрещины, это облегчает отделение от ядра. Количество и скорость поглощения влаги компонентами семян рапса (оболочкой и ядром) зависит от температуры диэлектрического нагрева их.

В основу тороидального резонатора 2 заложен принцип, позволяющий увеличить объем резонатора и сохранить высокую собственную добротность. Особенность такого резонатора - это резко выраженное пространственное разъединение электрического и магнитного полей [5, 6]. Концентрация электрического поля происходит в конденсаторной части 3 тороидального резонатора. Электромагнитное поле здесь возбуждается продольным током, текущим по внутреннему цилиндру резонатора. Зазор в конденсаторной части резонатора кратен и не менее чем четверти длины волны [5, 6]. Конструктивные параметры согласованы с длиной воны λ=12,24 см (высота и диаметр резонатора 7⋅λ, высота зазора 2⋅λ).

Источники информации

1. Бутковский В.А., Мельников Е.М. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производств. - М.: Агропромиздат, 1989. 464 с, (стр. 49).

2. Шамин Е.А., Михайлова О.В., Белова М.В., Новикова Г.В., Коробков А.Н. Патент №2710063 РФ, МПК ВО2 ВЗ/00. Установка для шелушения рапса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты; заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). - №2019109760; заявл. 15.03.2019. Бюл. №36 от 24.12.19. - 13 с. EDN: AWTAOV

3. Новикова Г.В., Просвирякова М.В., Михайлова О.В., Булатов В. А. Патент №2769134 РФ, МПК ВО2В 3/00. Установка для отделения оболочки семян рапса в процессе воздействия ЭМПСВЧ; заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). - №2021126132 от 06.09.2021. Бюл. №10 от 28.03.2022. - 10 с. EDN: ELQDAR

4. JHI Ударные шелушители - JK Machinery s.r.o [электронный ресурс]. - Режим доступа: [jk-machinery.ru>mashiny/jhi-udarnye-shelushiteli/], (дата обращения 16.03.2021).

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

6. Техника и полупроводниковая электроника СВЧ. [Электронное издание] / О. О. Дробахин, С. В. Плаксин, В. Д. Рябчий, Д. Ю. Салтыков. - Севастополь: Вебер, 2013. 322 с. ISBN 978-966-335-404-0.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Предложен шелушитель семян рапса, который содержит тороидальный резонатор, конденсаторная часть которого представлена как объем между верхними основаниями соосно расположенных неферромагнитных наружного и внутреннего цилиндров, и внутри которой соосно расположен радиопрозрачный электроприводной ротор с ярусно расположенными радиопрозрачными дисками. Причем в конденсаторную часть резонатора направлены через волноводы излучатели от магнетронов, установленных с наружной стороны по периметру боковой поверхности наружного цилиндра. Тороидальная часть резонатора представлена как кольцевой объем между цилиндрами внутренним и наружным с нижним кольцевым основанием, куда по наружному периметру прикреплен усеченный конус, внутри которого соосно расположен радиопрозрачный скат в виде конической обечайки. В кольцевом объеме по периметру боковой поверхности наружного цилиндра прикреплена радиопрозрачная воронка без оснований, а во внутреннем цилиндре, имеющем на боковой поверхности с противоположных сторон отверстия в пневмосепарирующий канал, соосно размещена коническая осадочная камера, содержащая центробежный вентилятор, так, что ее коническая часть пристыкована к корпусу радиопрозрачного винтового шнека. К малому периметру обечайки воронки прикреплена цилиндрическая обечайка высотой до кольцевого основания наружного цилиндра, образуя пневмосепарирующий канал между боковой поверхностью внутреннего цилиндра. Через тороидальную часть и через кольцевой канал до пневмосепарирующего канала с противоположных сторон наружного цилиндра проложены радиопрозрачные воздуховоды. Изобретение обеспечивает повышение эффективности шелушения семян при сохранении целостности ядра. 11 ил.

Шелушитель семян рапса с СВЧ энергоподводом в тороидальный резонатор, характеризующийся тем, что содержит

тороидальный резонатор, конденсаторная часть которого представлена как объем между верхними основаниями соосно расположенных неферромагнитных наружного и внутреннего цилиндров, и внутри которой соосно расположен радиопрозрачный электроприводной ротор с ярусно расположенными радиопрозрачными дисками, покрытыми мелкозернистым абразивным материалом, как и радиопрозрачное отражательное кольцо, расположенное на внутренней поверхности неферромагнитного наружного цилиндра,

а на верхнем основании неферромагнитного наружного цилиндра расположена неферромагнитная загрузочная емкость с задвижкой и неферромагнитный патрубок, диаметр, которого не превышает четверть длины волны,

причем в конденсаторную часть тороидального резонатора направлены через волноводы излучатели от магнетронов, установленных с наружной стороны со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности неферромагнитного наружного цилиндра,

причем тороидальная часть резонатора представлена как кольцевой объем между неферромагнитными цилиндрами внутренним, не имеющим нижнего основания, и наружным с нижним кольцевым основанием, куда по наружному периметру прикреплен неферромагнитный усеченный конус, внутри которого соосно расположен радиопрозрачный скат в виде конической обечайки,

причем в кольцевом объеме по периметру боковой поверхности неферромагнитного наружного цилиндра прикреплена радиопрозрачная воронка без оснований, а в неферромагнитном внутреннем цилиндре, имеющем на боковой поверхности с противоположных сторон отверстия в пневмосепарирующий канал, соосно размещена коническая осадочная камера, содержащая центробежный вентилятор, так, что ее коническая часть пристыкована к корпусу радиопрозрачного винтового шнека,

при этом к малому периметру обечайки радиопрозрачной воронки прикреплена цилиндрическая обечайка высотой до неферромагнитного кольцевого основания неферромагнитного наружного цилиндра, образуя пневмосепарирующий канал между боковой поверхностью неферромагнитного внутреннего цилиндра,

причем через тороидальную часть и через кольцевой канал до пневмосе-парирующего канала с противоположных сторон неферромагнитного наружного цилиндра проложены радиопрозрачные воздуховоды.