Исследование СВЧ установки с тороидальными резонаторами для отделения волосяного покрова от шкуры кроликов в непрерывном режиме

В настоящее время в фермерских хозяйствах шкуры кроликов после съемки сразу утилизируют или направляют в цеха по производству белковых корм, так как очень низкий сбыт обработанных, в условиях хозяйств, шкур. Волосяной покров, собранный со шкур кроликов,

является ценным сырьем для легкой промышленности, и от способа сбора во многом зависит качество пушно-мехового изделия [14–18]. Основную часть массы шкуры кроликов составляет масса волосяного покрова. Отношение массы волос к массе мездры у шкурок первого сорта составляет 2:1. Шкуры кроликов «Белый Великан» имеют на единицу площади наибольшую For citation

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, Т. массу, обладает наибольшей длиной волосяного покрова. Волосяной покров кроликов мясо-шкуровых пород содержит от 30 до 50% пуховых волос [11].

Известные способы обезволашивания шкур животных с применением солей, щелочей, сульфидов и ферментного препарата [12–13] – длительны и качество пуха низкое и поэтому не удовлетворяют кролиководческие хозяйства.

При тепловой обработке шкуры кроликов, сила удерживаемости волокон пуха в дерме и волосяных луковицах уменьшается, и сбор их облегчается [4]. Но при превышении температуры нагрева кожи и ее продолжительности, увеличивается повреждение кожи и ухудшается товарный вид волосяного покрова. Поэтому тепловую обработку сырья следует проводить микроволновой технологией при оптимальном режиме, обеспечивающем достаточное ослабление удерживаемости волосяного покрова в дерме и не вызывающем ухудшения их качества [9–10]. При этом действию тепла избирательно подвергаются не только эпидермис, дерма и подкожный слой жира, но и луковица волос. Эффективность воздействия электромагнитного поля сверхвысоко частоты (ЭМПСЧ) определяется температурой нагрева дермы и подкожного слоя, где расположены луковицы волос.

Предлагаемая микроволновая технология ориентирована на отделении волосяного покрова от вымоченной в рассоле кожи шкур кроликов, в процессе воздействия ЭМПСВЧ в непрерывном режиме.

Материалы и методы

Использован комплекс существующих методов исследования, в том числе: теория ЭМПСВЧ; программа CST MicrowaveStudio для трехмерного моделирования резонаторной камеры с вычислением параметров электродинамической системы. Теоретические исследования проводились на основе анализа электрофизических параметров многокомпонентного сырья с использованием математических аппаратов. Пространственное изображение установки выполнено в программе Компас-3D V17. Определение закономерностей отделения волосяного покрова от шкур кроликов проведено на основе дифференциального уравнения по методике К.К. Пономарева. Сырьем для исследования является шкуры кроликов породы «Белый Великан».

Результаты и обсуждение

Блок схема базовых СВЧ установок содержит в основном семь элементов:

─ источник питания, обеспечивающий преобразование сетевого напряжения в высоковольтное напряжение, необходимое для работы магнетрона (высоковольтный выпрямитель или

• 80,    № 1, 2018

• повышающий трансформатор с регулятором напряжения, и устройство для питания накала и др.);

• ─    СВЧ генератор, преобразующий мощность сетевой частоты в мощность СВЧ диапазона;

• ─    линии передачи и устройство ввода СВЧ энергии в резонаторную камеру;

• ─    электродинамическая система резонаторной камеры, обеспечивающая заданное распределение СВЧ энергии в ее объеме;

• ─    вспомогательные элементы, способствующие достижению равномерного нагрева сырья;

• ─    устройства для предотвращения утечки СВЧ энергии из установки в окружающее пространство; пульт управления [8].

Известно, что для электромагнитных волн сантиметрового диапазона в качестве колебательной системы используют объемные резонаторы. Геометрическую форму и тип колебаний выбирают исходя из технологичности изготовления резонатора, возможности настройки, получения максимальной добротности и желаемой конфигурации поля. При этом элемент связи (штырь) следует размещать параллельно линиям электрического поля, там, где максимальная напряженность [8].

Нами разрабатываются резонаторные камеры, обеспечивающие непрерывность технологического процесса, высокую напряженность электрического поля при равномерном распределении сверхвысокочастотной энергии в ее объеме и высокую собственную добротность [1–3, 5].

При этом необходимо выявить динамику процесса с учетом изменения во времени диэлектрических и теплофизических параметров сырья, рассчитать конфигурацию и размеры объемного резонатора в соответствии с длиной волны и критической напряженностью электрического поля, определить количество источников и их расположение в рабочей камере.

Предлагаемая нами технология сбора пуха происходит за счет ослабления силы удер-живаемости волосяного покрова в дерме кожи, в процессе передвижения шкуры с помощью тросо-шайбового транспортера, через тороидальный резонатор СВЧ установки. Распаренная шкура рассолом в ЭМПСВЧ создает такие условия, что происходит смягчение кожи, расширение пор, быстрое разрушение волосяных луковичек и освобождение волос.

Поэтому СВЧ установку проектируем с тороидальными резонаторами, где источник СВЧ энергии (излучатель) расположен в центральной части, выполненной в виде параллельно расположенных плоских колец, на расстоянии больше чем четверть длины волны, а средний периметр тороидальной части резонатора равен кратной половине длины волны. Такое исполнение обеспечит бегущую волну и высокую напряженность электрического поля.

Известно, что тороидальный резонатор и кольцевой резонатор – это резонаторы бегущей волны [8]. Условием резонанса в тороидальном резонаторе будет равенство фаз первичной волны и волны, которая обошла резонатор по периметру кольца, т. е., периметр кольца должен быть равен целому числу длин волн. Тогда в резонаторе устанавливается режим бегущей волны [6].

Основные узлы СВЧ установки (рисунок 1) расположены на монтажном каркасе. Это пневмонасос, шкаф управления, электродвигатель привода тросо-шайбового транспортера. Направляющая труба 1 для тросо-шайбового транспортера установлена под наклоном. Она собрана из отдельных труб из неферромагнитного материала и муфт 7, выполненных из диэлектрического материала и они перфорированы. Внутри направляющей трубы расположен тросошайбовый транспортер 9. На направляющую трубусоосно надеты тороидальные резонаторы 4 круглого сечения через равные промежутки. Каждый тороидальный резонатор выполнен из двух частей: тороидальной и центральной части 5. Причем нижняя часть тора перфорирована, а к центральной части 5 тороидального резонатора установлен магнетрон 3, так, что излучатель направлен внутрь перфорированной муфты 7. Центральная часть 5 каждого тороидального резонатора 4 выполнена в виде параллельно установленных плоских колец. Расстояние между кольцами должно быть больше, чем четверть длины волны для возбуждения волны и обеспечения высокой напряженности электрического поля, при которой происходит обеззараживания сырья при многократном воздействии ЭМПСВЧ. Необходимо также обеспечить отношение продолжительности воздействия ЭМПСВЧ к продолжительности цикла технологического процесса (скважность) меньше 0,5. Диэлектрическая перфорированная муфта 7 состыкована между трубами из неферромагнитного материала, соосно. К трубам присоединены распылители рассола 8. Средний периметр тороидального резонатора равен кратной половине длины волны. К диэлектрическому тросу прикреплены диэлектрические шайбы 9, с ее периферийной стороны. По концам направляющей трубы 1 имеются патрубки: загрузочный 2 и выгрузной 10. К выгрузному патрубку прикреплен пневмопровод, с перфорированной стороны.

(a)

(b)

(c)

Рисунок 1. СВЧ установка с тороидальными резонаторами для отделения волосяного покрова от кожи шкур кроликов в процессе распыления рассола: (a) общий вид в разрезе; (b) диэлектрическая перфорированная муфта; (c) тороидальный резонатор; 1 – направляющая труба тросо-шайбового транспортера; 2 – загрузочный патрубок; 3 – магнетроны; 4 – тороидальные резонаторы; 5 – центральная часть тороидального резонатора; 6 – трубопровод для подачи рассола; 7 – муфты перфорированные, диэлектрические; 8 – распылители рассола; 9 – тросошайбовый транспортер, диэлектрический; 10 – выгрузной патрубок перфорированный; 11 – пневмопровод

Figure1.Microwave setup with toroidal resonators for separating hair from skin skins of rabbits in the process of spraying brine: (a) General view; (b) a perforated dielectric coupler; (c) a toroidal resonator; 1 – guide tube crochet-washer conveyor; 2 – loading branch pipe; 3 – magnetron; 4 – toroidal resonators; 5 – the Central part of the toroidal resonator; 6 – pipe for supplying the brine; 7 – clutch perforated, dielectric; 8 – spray brine; 9 – crochet-washer carrier with a dielectric; 10 – unloading perforated pipe; 11 – pneumatic conduit

Технологический процесс сбора волосяного покрова со шкур кроликов в СВЧ установке, обеспечивающей ослабление силы удерживаемо-сти волосяного покрова в волосяных луковицах, за счет избирательного нагрева составляющих шкуры в процессе распыления рассола, происходит следующим образом.

Включить электродвигатель привода тросошайбового транспортера 9 , после чего тяговый орган шайбового транспортера перемещается в трубе 1 . Включить насос для подачи рассола через трубопровод 6 к распылителям рассола 8 . Загрузить в процессе движения шайб шкуры кроликов через загрузочный патрубок 2 в направляющую трубу 1 . Включить СВЧ генераторы (магнетроны 3 ) по мере оказания сырья в соответствующих тороидальных резонаторах 4 , 5 . Сырье распыленным рассолом подвергается многократному воздействию ЭМПСВЧ, избирательно нагревается, распаривается, и происходит полное разрыхление слоя эпидермиса. При этом ослабляется сила удерживаемости волосяного покрова в дерме кожи. Пух в процессе распаривания в рассоле легко выдергивается из волосяной луковицы. Остатки рассола стекают через перфорированные диэлектрические муфты 7 и перфорацию 6 торов в специальный поддон. В центральной части 5 тороидального резонатора образуется электрическое поле высокой напряженности, обеспечивающей обеззараживания волосяного покрова. Отделенный от дермы волосяной покров при незначительном давлении высасывается с помощью пневмонасоса через пневмопровод 11 , установленный в конце выгрузного патрубка 10 , где имеется перфорация. При этом сохраняются прочностные свойства волосяного покрова.

Производительность установки зависит от количества СВЧ генераторов и их мощности, от продолжительности нахождения шкуры в резонаторной камере, вида и размера шкур, от концентрации солевого раствора, и от удельной дозы воздействия ЭМПСВЧ.

Для определения закономерности отделения волосяного покрова со шкуры кроликов составлены дифференциальные уравнения по методике К.К. Пономарева [7]. Для этогосчитаем что шкура А под воздействием ЭМСВЧ и рассола распадается на два вещества P (волосяной покров) и Q (кожу). Скорость образования каждого из этих составляющих пропорциональна количеству неразложенного вещества (шкуры). Пусть у и x – это масса волосяного покрова (P) и кожи ( Q ), образовавшиеся к моменту t . Известно, что масса шкуры кролика составляет 400–450 г., а масса волосяного покрова – в пре-делахот 150до 250 г.

Предварительные эксперименты показывают, что из одной шкуры кролика «Белый Великан» за 450 секунд обработки в ЭМПСВЧ отделяется пух в пределах180 г., если температура нагрева вымоченной рассолом кожи достигает 62 °С, если рабочая камера содержит один генератор. В случае использования трех генераторов продолжительность обработки составит 150 с.

Определяем выражения, описывающие изменения массы отделенного от мездры волосяного покрова в процессе воздействия ЭМПСВЧ. Считаем, что в начальный момент x = 0, y = 0, .                    5•с        2•с а через t = 150 с, x =    , у = ——, где с - пер воначальная масса вещества А.

В момент t скорости образования пуха P и кожи Q будут [7]:

dx dt dу dt

= к , ( c - x - y ),

- к ₂ ( c - x - y ),

К этому моменту масса неразложившегося еще вещества А равно c – x – y.

Дифференцируя (1), получим:

d ² x ,  ,dx  dy_x

—_г = - к • (— + — ) dt^{2       1} dt dt

Подставляя в уравнение (2) значение

dy dt

из второго уравнения системы (1), получим:

d ² x dd^

^{- k}

•

dx , ,    ,             _x

--+ k ₂ • ( c - x - y ) . dt

Исключая значение уиз уравнения (3) и первого уравнения системы (1), находим:

d ² x _n i\dx

—у + (k! + k2)— - 0 .(4)

dtdt

Уравнение (4) является однородным линейным уравнением 2-го порядка [7]. Общее решение уравнение (4) составляем в виде:

x - Q + C2 • e"(k'+ k2>t.(5)

Далее подставляем x и х в первое урав-dt нение системы и решаем его относительно у, после чего получим решение системы:

х - С + C2 • e-(k'+ k2)t, у - с + k2 • C2 • ek'+ k2)t - С, k'      2                      '

Используя начальное условия: при t = 0, x = 0 и y = 0, определим С1 и С2. Далее получим выражения, описывающие графики изменения величин x и y в процессе обработки шкуры в СВЧ установке, т. е. накопления отделенного от дермы волосяного покрова:

С = к 1 • с ¹     k i + к 2 ,

C2 -.

k + k₂

Г у = -k^c •Гт - e-(ki+k 2)- 1.

k + k L

Коэффициенты k 1 и k 2 вычислим из предва-

.4• ригельного эксперимента: при t = 150 с, x = -^-, у = —с. к = 0,01, k2 = 0,0068 ,k + k2 = 0,0168. 1      212

Подставляя эти значения в равенство (8), находим выражения, описывающие скорость отделение волосяного покрова (у) от кожи шкуры кролика x = 0,6 • с • (1 - е- °’0168^ t), у = 0,4 • с • (1 - е- °’0168^ t), гдеt – продолжительность обработки шкуры в ЭМПСВЧ, с;с – масса исходной шкуры, г.

График изменения массы отделенного волосяного покрова в процессе воздействия ЭМПСВЧ на шкуру кролика, показан на рисунке 2. Накопление массы пуха в процессевоз-действия ЭМПСВЧ происходит по экспоненте. В течение 2,5 мин с каждой шкуры кролика можно собрать волосяной покров в преде-лах160 г., если удельная мощность генератора составляет 5 Вт/г., т. е. при дозе воздействия 750 Вт×с/г.

The duration of processing of skins of EMFUF,

Рисунок 2. График изменения массы отделенного волосяного покрова в процессе воздействия ЭМПСВЧ на шкуру кролика

Figure 2. Plot of mass separated by a hairline in the process of the impact of EMFUF on the skin of a rabbit

Заключение

• 1.    Разработана научная идея, предусматривающая тепловую обработку шкуры кроликов многократным воздействием ЭМПСВЧ в тороидальных перфорированных резонаторах в непрерывном режиме.

• 2.    Предложен нетрадиционный подход к конструкционному исполнению резонаторных камер СВЧ установок с маломощными магнетронами, обеспечивающих многократное воздействие ЭМПСВЧ на сырье для снижения его микробиологической обсемененности.

• 3.    Доказана перспективность предложенных технических решений и способов воздействия ЭМПСВЧ на шкуры кроликов в непрерывном

• 4.    . Разработанная установка с тороидальным резонатором обеспечивает получение новых результатов в достижении непрерывности технологического процесса, высокой напряженности электрического поля и собственной добротности резонатора, равномерности нагрева сырья в резонаторе; вариации производительности установки.

• 5.    Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию СВЧ установок

режиме, основываясь на обоснованные параметры электродинамической системы СВЧ-установок с тороидальными резонаторами, имеющими рациональные конструкционно-технологические параметры и режимы работы.

для отделения волосяного покрова от шкур кроликов в непрерывном режиме с использованием системы автоматизированного управления и контроля технологическим процессом.

Возможные направления исследований

На основе стратегической программы исследований «СВЧ технологии», утвержденной 17.12.2012 г. Департаментом радиоэлектронной промышленности РФ, активно ведутся работы по созданию СВЧ установок. Тем не менее, анализ новейших разработок ведущих мировых производителей позволяет выявить основные