Обоснование параметров СВЧ-установки для отделения пуха от шкурок кроликов в непрерывном режиме

По итогам 2017 года объем производство мяса кроликов составил 4,2 тыс. тонн, из них 70% всего объема российского производства приходится на фермерские хозяйства [11]. В мире ежегодно собирают 5 тыс. т пуха кроликов, из которых 90% собирают в Китае. В Венгрии и Франции ежегодно собирают до 50 т кроличьего пуха [10]. В Нижегородской области эффективно разводят кроликов породы «Белый Великан», которые в возрасте 560 дней достигают до 6,8 кг, но при этом обработка шкурок достаточно трудоемкая [4, 5]. Пух кроликов широко используется в перерабатывающей промышленности как сырье

с непревзойденным качеством для производства трикотажных изделий, фетра, сукна. Волосяной покров кроликов содержит 96–98% пуха, не содержит жиропота. Специфика пухового кролиководства такова, что требует больших затрат ручного труда.

В связи с тем что сбыт высушенных шкурок кроликов очень низок, в большинстве кролиководческих хозяйств шкурки после съемки с тушек направляют в цеха по производству белкового корма, а с 3–5 кроликов можно собрать до 1 кг пуха. Поэтому возникает научная идея – сбор пуха от шкурок кроликов в кролиководческих хозяйствах.

Цель работы – исследование микроволновой технологии и разработка установки, обеспечивающей отделение пуха от шкурок кроликов в непрерывном режиме при сниженных эксплуатационных затратах с сохранением качества пуха.

Процесс сбора пуха состоит из двух этапов – ослабление силы удерживаемости волоса в дерме и его механического удаления. Существует способ снятия пуха со шкурок кроликов [1], когда шкурки предварительно отволаживаются натиранием со стороны мездры 4%-ным раствором поваренной соли в течение суток, после чего отделение пуха осуществляется в щипальной машине. Известен способ обезволашивания шкурок кроликов, предварительно обработанных раствором сульфида натрия в течение 2 ч, с применением ферментного препарата прото-субтилин Г10Х в течение 4–5 ч [6]. Имеется способ, когда шкурку помещают в раствор, содержащий 0,5 л воды, 100 г муки, 3–4 г сухих дрожжей, 15 г соли и 3 г соды. В этом растворе наружная часть кожи набухает и заквашивается на протяжении более 2 сут [7]. Известен способ обезволашивания кож с применением горчичного киселя [8]. Авторы утверждают, что волосяной покров после применения киселя и ржаной муки через 5–6 часов легко сходит.

Анализ существующих технологий сбора пухового сырья со шкурок кроликов свидетельствует о том, что они затратные, трудоемкие и длительные [2]. Поэтому необходимо совершенствовать технологический процесс отделения пуха от шкурок кроликов, один из путей – применение энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ).

Технической задачей является снижение эксплуатационных затрат при реализации технологии отделения волосяного покрова от шкурок кроликов; сохранение качества волосяного покрова и интенсификация процесса.

Научной школой разработаны микроволновые установки, реализующие основные критерии проектирования СВЧ-техники [3, 5]:

─ непрерывный режим работы и радиогерметичность установки;

─ высокая напряженность электрического поля в резонаторе, достаточная для снижения бактериальной обсемененности сырья;

─ многократное воздействие ЭМПСВЧ с соблюдением определенной скважности технологического процесса;

─ использование маломощных магнетронов с воздушным охлаждением;

─ высокая собственная добротность резонатора и равномерное распределение электрического поля в сырье с учетом глубины проникновения волн;

─ регулируемая доза воздействия ЭМПСВЧ на сырье в зависимости от вида и объема загрузки шкурок в резонатор;

─ возможность санитарной обработки резонатора без сложной разборки узлов.

Материалы и методы

Материалами для анализа способов и технических средств обезволашивания шкур послужили накопленный научный опыт, отраженный в работах зарубежных и отечественных ученых. Контроль температуры сырья в процессе воздействия ЭМПСВЧ проводили пирометром Testo 925, а исследование распределения теплового потока по поверхности сырья – тепловизором FLIRi335. Обоснование режимных параметров установки проводили через регрессионные модели в программах Statistic 8.0, Excel 10.0.

Результаты исследования

Разработанная микроволновая установка (рисунок 1) отличается от предыдущих установок тем, что многократное воздействие ЭМПСВЧ на сырье с соблюдением скважности технологического процесса менее чем 0,5 достигается с использованием дискового транспортера. На каркасе 7 расположен цилиндрический резонатор 1 с полусферическими основаниями. Вдоль образующей резонатора имеются две щели, размером менее четверти длины волны. Через щели выступает вращающийся диск 5 , так как его диаметр больше, чем диаметр резонатора. Периметр выступа больше, чем половина периметра части диска, находящегося в резонаторе. Это обеспечит скважность технологического процесса менее 0,5. Диск выполнен из фторопласта и находится на подшипниках 9 . Внутри резонатора над вращающимся диском соосно жестко закреплено диэлектрическое прижимное кольцо 6 . Шкурка кролика 13 направляется между прижимным кольцом и вращающимся диском. Над выступами диска с одной стороны расположены распылитель 4 с насосом для вязкой жидкости, а с другой стороны – пневмонасос 14 . На диск жестко установлен приводной венец 12 , входящий в зацепление с ведущей шестеренкой 11 , закрепленной на вал мотора-редуктора 10 . На образующей резонатора вырезано смотровое окно 3 , закрытое крышкой. Она выполнена из металлической сетки и покрыта термостойкой пленкой. Размер отверстий в сетке не превышает 3 мм, что исключает распространение волн через отверстия. Маломощные магнетроны с воздушным охлаждением установлены на образующей резонатора. С торца резонатора имеется сливной патрубок 8 . Для ограничения СВЧ-излучения через щели на образующей имеются сеточные неферромагнитные жалюзи.

Рисунок 1. Микроволновая установка с дисковым транспортером для отделения пуха от шкурок кроликов: а – пространственное изображение; б – основные узлы на стадии сборки; 1 – цилиндрический резонатор; 2 – излучатели СВЧ энергии; 3 – смотровое окно; 4 – распылитель с насосом для вязкой жидкости; 5 – вращающийся диск; 6 – прижимное кольцо; 7 – монтажный каркас; 8 – сливной патрубок; 9 – опорные подшипники; 10 – мотор-редуктор; 11 – ведущая шестеренка; 12 – приводной венец; 13 – шкурка; 14 – пневмонасос (заявка № 2018119243)

б

Figure 1. Microwave installation with a disk conveyor to separate the fluff from the skins of rabbits: a – the spatial image; b – the main nodes in the project; 1 – cylindrical cavity; 2 – emitters of microwave energy; 3 – viewing window; 4 – pump sprayer for viscous fluid; 5 – turntable; 6 – pressure ring; 7 – mounting frame; 8 – discharge pipe; 9 – supporting bearings; 10 – motor-reducer; 11, the leading of the neck-steranka; 12 – jointed crown; 13 – skin; 14 – pneumatic pump (application No. 2018119243)

Технологический процесс происходит следующим образом. Закрывают металлосеточную крышку и сливной патрубок. Смотровое окно позволяет визуально наблюдать процесс обработки шкурок с соблюдением электромагнитной безопасности. Включают мотор-редуктор, пневмонасос и насос распылителя опары. Кладут шкурку кролика на выступ вращающегося диска после предварительного втирания гомогенизированной сброженной смеси ржаной муки, воды, дрожжей и горчичного порошка. В процессе вращения диска шкурка затягивается под диэлектрическое прижимное кольцо. Включают генераторы. Воздействие ЭМПСВЧ на шкурку обеспечивает избирательный нагрев волосяных луковиц, эпидермиса и дермы, пропитанных опарой. Происходит процесс ослабления силы удерживаемости волосяного покрова в дерме шкурки. За пределами резонатора на выступе диска температура и давление компонентов кожи выравниваются, что исключает скукоживание шкурки, к тому же здесь на мездровую сторону дополнительно распыливается опара с помощью распылителя и насоса вязкой жидкости. Далее шкурка подвергается воздействию ЭМПСВЧ второй раз. На выходе из резонатора пневмонасосом собирается волосяной покров, отделенный от кожи, и направляется в циклон. Такое двукратное воздействие ЭМПСВЧ через паузу обеспечивает тепловую обработку шкурки в щадящем режиме. По окончании обработки шкурок выключают в следующей последовательности: насос распылителя опары, СВЧ-генераторы, мотор-редуктор и пневмонасос. Далее открывают крышку и сливной патрубок, проводят санитарную обработку внутренней поверхности резонатора.

Для определения собственной добротности резонатора выведена формула (3) через конструкционные параметры резонатора. Для этого составлена схема технологического процесса отделения пуха от шкурок кроликов в цилиндрическом резонаторе с полусферическими основаниями (рисунок 2).

Площадь поверхности и объем резонатора определяем по формулам (1) и (2).

• 5 = 2 n^ r ^1 + ( r ') 2 dy + 4 n rh — h ₂ —,  (1)

V = n f r 2 dy + 2.П ^ ² ( r 2 — . 2 ) ,     (2)

0 h ₁ где r – радиус сферы.

Собственная добротность резонатора

Q = 2 K

; j r ■ dy + 2 , ‘ j-( r ■ — , - )

0 h

h

2 n J r^ 1 + ( r ')²

dy + 4 nrh - h ₂ —.

где К – коэффициент, учитывающий снижение добротности резонатора за счет прорезей.

Зная конструкционные размеры резонатора, вычислим в программе Mathcad 15 собственную добротность и напряженность электрического поля.

Выполнены экспериментальные исследования для обоснования комплекса конструкционнотехнологических параметров и режимов работы СВЧ-установки на основе регрессионных моделей с учетом многокритериальной оценки технологического процесса отделения обеззараженного пуха от кожи с мездрой, пропитанной опарой.

Матрица планирования эксперимента приведена в таблице 1.

Пределы изменения факторов:

─ полезная мощность генераторов ( х 1 ) 2,4 ≤ Р ≤ 4 кВт;

─ продолжительность     воздействия

ЭМПСВЧ ( х 2 ) 0,083 ≤ t ≤ 0,0167 ч;

─ продолжительность выдержки шкурок в опаре ( х 3 ) 0,5 ≤ τ ≤ 1,5 ч.

Оценивали следующие критерии (таблица 2): Y1 – температура мездры ( Т ,^о С); Y2 – производительность СВЧ-установки ( Q , кг/ч); Y3 – процент отделенного пуха от шкурки ( П , %); Y4 – удельные энергетические затраты ( W , кВт·ч/кг)

Рисунок 2. Схема технологического процесса отделения пуха от шкурок кроликов в поперечном разрезе с обозначениями конструкционных параметров; 1 – шкурка кролика; 2 – диск; 3 – распылитель опары; 4 – резонатор; 5 – магнетроны; 6 – люк; 7 – пневмонасос; 8 – сливной патрубок; 9 – электропривод диска

Figure 2. The scheme of technological process of separating the fluff from the skins of rabbits of a transverse section with the notation of the structural parameters; 1 – rabbit skin; 2 – disc; 3 – spray the dough; 4 – resonator; 5 – magnetron, 6 – hatch, 7 – pneumatic pump; 8 – discharge pipe; 9 – electric drive

Таблица 1.

Матрица планирования эксперимента

Table 1.

Matrix of experiment planning

№	Варьируемые параметры | Varied parameter
	Удельная мощность генератора, Вт/г (1,0 кг) Specific generator power, W/g (1.0 kg)		Полезная мощность СВЧ-генераторов, кВт Useful power of microwave generators, kW		Продолжительность воздействия ЭМПСВЧ Duration of exposure to microwave			Продолжительность выдержки шкурок в опаре, до воздействия, ч Duration of exposure of skins in the Opera, before exposure, human
	Р P уд	Количество генераторов, шт. Number of generators, PCs.	Х1	Р ген .	Х2	t, с	t, ч	Х3	τ, ч
1	4	5	+	4,0	+	300	0,083	+	1,5
2	4	5	+	4,0	-	60	0,0167	-	0,5
3	2,4	3	-	2,4	+	300	0,083	-	0,5
4	2,4	3	-	2,4	-	60	0,0167	+	1,5
5	3,2	4	0	3,2	0	180	0,05	0	1,0
6	2,4	3	-	2,4	0	180	0,05	0	1,0
7	4	5	+	4,0	0	180	0,05	0	1,0
8	3,2	4	0	3,2	-	60	0,0167	0	1,0
9	3,2	4	0	3,2	+	300	0,083	0	1,0
10	3,2	4	0	3,2	0	180	0,05	-	0,5
11	3,2	4	0	3,2	0	180	0,05	+	1,5

Таблица 2.

Критерии оптимизации

Table 2.

Optimization criterion

№	Температура, оС (Т) Temperature, оC (T)	Производительность СВЧ-установки, (Q) Performance of microwave installation, (Q)		Отделенный пух от шкурки в % Separated down from skin in %	Удельные энергетические затраты, кВт·ч/кг/ Specific energy costs, kW·h/kg	Потребляемая мощность установки, кВт/ Power consumption of the plant, kW
	Y1	Y2, кг/ч | Y2, kg/h	шт./ч | PCs/h	Y3	Y4
1	62	12	36	50	0,6	7, 2
2	34	60	180	60	0,12	7,2
3	48	12	36	70	0,4	4,8
4	25	60	180	55	0,08	4,8
5	42	20	60	95	0,3	6,0
6	36	20	60	85	0,24	4,8
7	46	20	60	90	0,36	7,2
8	22	60	180	60	0,1	6,0
9	55	12	36	75	0,5	6,0
10	47	20	60	70	0,3	6,0
11	46	20	60	80	0,3	6,0

Примечание. Начальная температура шкуры 18 °С. Единовременная загрузка шкурок кроликов в резонатор 1,0 кг.

Пользуясь программой «StаtistiсV8.0», построены поверхности отклика и их двумерные сечения в изолиниях (рисунок 3). Определены эффективные технологические параметры микроволновой установки, обеспечивающей отделение пуха от шкурок до 85%, при удельных энергетических затратах 0,36 кВт·ч/кг: продолжительность воздействия ЭМПСВЧ – 180 с, мощность генератора – 3,2 кВт, продолжительность выдержки шкурок в опаре – до 1 ч.

Технические характеристики установки приведены в таблице 3.

a

b

c

d

Рисунок 3. Поверхность отклика и двумерные сечения в изолиниях трехфакторной модели изменения: a – температуры мездры; b – производительности установки; c – отделенного пуха от шкурок в процентах; d – удельных энергетических затрат, при продолжительности выдержки шкурок в опаре в течение 1 ч до воздействия ЭМПСВЧ

Figure 3. The surface response and the two-dimensional cross section contour of the three-factor model modifications: a – the temperature of the membrane; b – productivity; c – separated the fluff from the skins in percent; d – specific energy consumption, the duration of exposure of the skins in the dough for 1 hour before exposure, ENSUCH

Таблица 3.

Технические характеристики установки

Table 3.

Technical characteristics of the unit

Количество магнетронов, шт. Number of magnetrons, РСs.	4
Потребляемая мощность четырех СВЧ-генераторов, кВт | Power consumption of the four microwave generators, kW	4,8
Производительность установки, (кг/ч) Plant capacity, (kg/h)	16
Мощность электродвигателя диска, кВт Drive motor power, kW	0,25
Мощность электродвигателя пневмонасоса, кВт Power of pneumatic pump motor, kW	0,4
Мощность электродвигателя распылителя, кВт | Power of spray motor, kW	0,18
Потребляемая мощность СВЧ установки, кВт Power consumption of microwave installation, kW	6,0
Удельные энергетические затраты, кВт·ч/кг | Specific energy costs, kWh/kg	0,36
Габаритные размеры, м Overall dimensions, m	1,5x1,0x2,2