Методика расчета теплообменников листоканального типа, применяемых в тепловых аппаратах предприятий питания

Известно, что Россия занимает шестое место в мире по производству яиц, объем составляет 3% от объема мирового производства яиц. Крупнейшим производителем яиц является Китай, на который вместе с Японией и Индией приходится 60% объема от мирового производства яиц. В связи с насыщением рынка яиц многие производители сталкиваются с проблемой перепроизводства. Проблема может быть решена при расширении сегмента переработки продукции. Согласно статистическим данным, в нашей стране объем перерабатываемых яиц в настоящее время находится на уровне 13%, который в ближайшее время планируется поднять до европейского в 25%. В США данный показатель достигает 35%, а в Японии составляет более 40% [1]. Одной из причин отставания России является отсутствие технической базы и оборудования для переработки яиц. Несмотря на это многие производители яиц, для того чтобы быть конкурентоспособными, используют все возможные меры по уменьшению себестоимости продукции без ухудшения ее качества. Используют технологию глубокой переработки, включающую: выдержку 7 дней, мойку скорлупы яиц; освобождение от скорлупы; гомогенизацию, пастеризацию для производства меланжа; сушку для производства яичного порошка [2–4].

Доля загрязненного пищевого яйца может достигать до 20% от общего количества поступающих на переработку яиц. Использование яйцемоечных машин может привести к быстрой порче яиц при хранении, в результате чего снижается стоимость яйца и доходность его производства. Применение базового дорогостоящего оборудования не позволит снизить себестоимость переработанных некондиционных яиц, к тому же растет объем поступления яичных продуктов из-за рубежа.

Одной из основных проблем кормления птицы является дефицит белка и незаменимых аминокислот, при этом около половины себестоимости продукции приходится именно на стоимость кормов, качество которых оставляет желать лучшего [5]. В настоящее время большинство кормовых форм поставляется в Россию из-за рубежа.

Известен способ и механизированное устройство для варки яиц. Данное устройство представляет собой конвейерную микроволновую яйцеварку, которая состоит из расположенного внутри цилиндрического экранирующего алюминиевого корпуса, вращающегося фторопластового ротора с ячейками для яиц. Варка яиц в печи осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты в циклическом режиме. Производительность яйцеварки увеличена за счет конвейера [6]. Также известна механизированная микроволновая яйцеварка, технический результат данного устройства заключается в повышении производительности за счет циклического воздействия микроволн [7]. В обоих случаях используются транспортирующие яйца устройства, что увеличивает энергетические затраты на технологический процесс термообработки, установки работают в периодическом режиме.

Цель работы – разработка сверхвысокочастотной установки с усеченным биконическим резонатором для термообработки отбракованных куриных яиц, обеспечивающей непрерывный режим работы, с целью повышения качества белкового корма.

Задачи исследования

• 1.    Разработать пространственную модель сверхвысокочастотной установки для термообработки и обеззараживания некондиционных яиц в непрерывном режиме с целью производства кормовых добавок.

• 2.    Рассчитать собственную добротность резонатора нетрадиционной конфигурации.

Объектом исследования является непрерывный технологический процесс термообработки и обеззараживания отбракованных яиц при производстве кормовых добавок.

Материалы и методы

В программе «Компас-3DV17» выполнено пространственное изображение установки и основных узлов (труба диэлектрическая, уложенная в виде биконической спирали, пластина неферромагнитная с запредельными волноводами). Расчет добротности производился при помощи системы автоматизированного проектирования Mathcad 15, а также при помощи программы моделирования СВЧ трехмерных структур CST Microwave Studio.

Результаты и обсуждения

Микроволновая технология термообработки некондиционных яиц (мелкие, с насечками, грязью, кровяное кольцо) позволяет минимизировать убытки путем эффективной реализации продукта при производстве белковых кормовых добавок.

СВЧ-установка для термообработки отбракованных яиц характеризуется тем, что на монтажной стойке 8 вертикально установлен усеченный неферромагнитный биконус 1. Внутри усеченного биконуса находится неферромагнитная пластина 7. Она разделяет объем усеченного биконуса на две камеры: резонаторную камеру 5 и камеру паузы 6. Неферромагнитная пластина выполнена по форме осевого сечения усеченного биконуса. По периметру пластины имеются отверстия диаметром, равным диаметру запредельных волноводов 9. Запредельные волноводы (отрезок трубы из неферромагнитного материала длиной, согласованной с диаметром и частотой электромагнитного поля) надеты на диэлектрическую трубу 3 со стороны камеры паузы и пристыкованы к неферромагнитной пластине.

От расположения неферромагнитной пластины относительно осевого сечения усеченного биконуса зависит скважность технологического процесса, т. е. отношение продолжительности нагрева яиц к продолжительности цикла (сумма продолжительности нагрева и паузы).

Вдоль внутренней боковой поверхности усеченного биконуса проложена диэлектрическая труба, уложенная в виде биконической спирали. Диаметр трубы больше, чем размер яиц, и ее концы выведены за пределы малых оснований усеченного биконуса со стороны камеры паузы.

На боковую поверхность усеченного биконуса установлены магнетроны 2 СВЧ-генераторов так, что излучатели направлены в резонаторную камеру, а со стороны камеры паузы на боковой поверхности усеченного биконуса имеется люк 4 со смотровым окном на трубе.

На рисунке 1 приведено пространственное изображение СВЧ-установки для термообработки некондиционных куриных яиц (в разрезе).

Технологический процесс происходит следующим образом. Включают транспортер для подачи яиц в диэлектрическую трубу, для этого начало трубы выведено через верхнее малое основание усеченного биконуса со стороны камеры паузы.

Далее включают сверхвысокочастотные генераторы, магнетроны которых расположены на боковой поверхности усеченного биконуса, а излучатели направлены в резонаторную камеру. Тогда в резонаторной камере, образованной между боковой поверхностью усеченного биконуса и неферромагнитной пластиной возбуждается ЭМПСВЧ. Яйца, направленные в диэлектрическую трубу, уложенную в виде биконической спирали, катятся в ней вокруг своей оси и перемещаются в ней, описывая траекторию биконической спирали. Когда яйца находятся в резонаторной камере, они подвергаются воздействию ЭМПСВЧ, а когда они находятся в камере паузы, то воздействию ЭМПСВЧ не подвергаются. В это время температура и давление в компонентах яйца выравниваются. Запредельный волновод ограничивает излучение через отверстия, имеющиеся по периметру неферромагнитной пластины. Такое многократное пребывание яиц в резонаторной камере и камере паузы с чередованием обеспечит термообработку без разрушения скорлупы, если скважность технологического процесса не превышает 0,5. Поэтому неферромагнитную пластину следует установить так, чтобы объем резонаторной камеры был меньше объема камеры паузы. Кратность воздействия ЭМПСВЧ зависит от количества витков трубы, уложенной в виде биконической спирали. Угол наклона и диаметр витка влияют на продолжительность воздействия ЭМПСВЧ. Для техниче- ского осмотра имеется люк, открывая его, можно увидеть через смотровое окно на диэлектрической трубе передвижение яиц. Сваренные обеззараженные некондиционные яйца следует охладить, упаковать, транспортировать в комбикормовый цех для использования в виде белковой добавки животным.

С учетом анализа результатов исследований других авторов [8–10] проведено обоснование конструкционных параметров разработанной установки.

Рисунок 1. Пространственное изображение СВЧ-установки для термообработки некондиционных куриных яиц (в разрезе): 1 – биконус усеченный неферромагнитный; 2 – магнетроны от СВЧ-генераторов; 3 – труба диэлектрическая, уложенная в виде биконической спирали; 4 – люк со смотровым окном на трубе; 5 – камера паузы; 7 – пластина неферромагнитная; 6 – камера резонаторная; 8 – монтажная стойка; 9 – запредельный волновод

Figure 1. The three dimensional image of the microwave installation for the heat treatment of sub-standard eggs (sectional): 1 – round truncated non-ferromagnetic; 2 – magnetrons of the microwave generators; 3 – dielectric tube, laid in the form of biconical helix; 4 – hole with a viewing window on the tube; 5 camera pause; 7 – plate of non-ferromagnetic; 6 – chamber resonator; 8 – mounting stand; 9 – beyond the wаvеguidе

Известно, что в биконическом резонаторе вблизи вершин образуются поверхности (критическое сечение), где наблюдается полное отражение электромагнитных волн, и излучение от открытых вершин уменьшается. Поэтому диаметры малых оснований усеченного биконуса следует выбрать с учетом критического сечения [11]:

d = 0,72 l , где l – высота биконуса.

Из-за отсутствия транспортирующего механизма и использования одного вентилятора для охлаждения нескольких магнетронов удельные энергетические затраты уменьшаются по сравнению существующими яйцеварками [6, 7].

Для согласования конструкционных параметров (рисунок 2) с напряженностью электрического поля и мощностью генератора проведен расчет собственной добротности резонатора.

Рисунок 2. Схематическое изображение СВЧ-установки для термообработки некондиционных куриных яиц: r 1 - радиус малого основания; r 2 - радиус большого основания; h 1 - высота усеченного конуса Figure 2. A schematic diagram of the microwave installation for the heat treatment of sub-standard chicken eggs: r 1 - radius small base; r 2 - the radius of the big base; h 1 - height of the truncated cone

Зная конструкционные параметры СВЧ-установки, по формуле вычислена длина L диэлектрической трубы, уложенной в виде биконической спирали [13]:

• 1    ^ф 2 ( S sin a • Ф ) -

• L— I . - - dV,

2пф ^ -4nSr sin a • ф + (2nr )2 + S где S - шаг винтовой линии; a - половина угла раствора конуса при вершине; r2 - радиус большого основания; ф - угол поворота.

Предварительные расчеты показывают, что яйца перекатываются по диэлектрической трубе длиной около 8 м за 200 с со скоростью 20 мм/с. Угол наклона трубы к горизонтальной поверхности составляет в пределах 20°, а угол наклона образующей конуса – 75°.

Исследована динамика нагрева отбракованных яиц при удельной мощности 2,4 Вт/г в ЭМПСВЧ в стационарном режиме с мощностью трех генераторов 2,4 кВт.

Результаты исследования показывают, что 1 кг сырья, перемещающегося по спиральной трубе, сварится при достижении температуры 80 °С за 200 с. Получено эмпирическое выражение, описывающее динамику нагрева яиц (рисунок 3):

T — - 0,001 г ² + 0,511 г + 21,05 , где τ – продолжительность воздействия, с.

70 и

50 с 5

..•О

О'"

T = -0,001τ2 + 0,511τ + 21,05 р-'

y = -0,0011x2 + 0,5115x + 21,055

R² = 0,9942

0         50        100       150       200

Продолжительность воздействия, с

Рисунок 3. Динамика нагрева отбракованных яиц при удельной мощности 2,4 Вт/г

Figure 3. Dynamics of heating of rejected eggs at a specific power of 2.4 W/g

Собственная добротность резонатора Q вычислена как удвоенное отношение объема резонатора к площади его поверхности с учетом толщины поверхностного слоя [12].

Объем и площадь резонаторной камеры являющейся частью биконуса, вычислены согласно геометрической конфигурации и заданным конструкционным параметрам по формуле:

Q —

hr (    (r - r) У ^

2 k n J r + ----- — dy

0 У hi>

( r 1 ^- r 2

" J '2 + h у 0 У          h1

12 ]

d dy

[ r d^Ljy ] dy + 2}

У           ^h 1      7         0

—

y ² dy + 2 h ( r + r )

где r 1 - радиус малого основания; r 2 - радиус большого основания; h 1 - высота усеченного конуса; А - толщина поверхностного слоя; к - коэффициент, учитывающий положение пластины в биконусе

Собственная добротность резонатора составила 5000. Доза воздействия ЭМПСВЧ на сырье равна 480 Вт.с/г, а удельные энергетические затраты на термообработку отбракованных яиц 200 Вт.ч/кг при общей мощности установки 3,6 кВт, что соответствует результатам предыдущих исследований [14].

Заключение

Значение собственной добротности разработанного резонатора с достаточной доверительной вероятностью совпадает с результатами,