Сверхвысокочастотная хмелесушилка с поярусно расположенными резонаторами

Хмель возделывают в 25 странах. По производству хмеля Россия занимает 7 место в мире. Валовый сбор хмеля в последние годы, например в Чувашской Республике, составляет 170–175 т, урожайность достигает 16–17 ц/га. Правительство России приняло целевую программу, где особое внимание уделяется послеуборочной обработке, включая разработку высокоинтенсивных хмеле-сушилок. Задача сушки хмеля сводится к сохранению хорошего товарного вида, цвета и аромата, сохранению максимального количества компонентов горьких веществ (12–22 %), дубильных веществ (2–5 %) и эфирных масел (0,2–0,8 %) для применения в пивоварении [1].

Цель работы – разработка конструкционного исполнения малогабаритной СВЧ-конвективной хмелесушилки с обоснованными параметрами и интенсивной технологией сушки свежеубранного хмеля.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

– проанализировать диэлектрические и теплофизические параметры свежеубран-ного хмеля и математически описать их функциональные зависимости от температуры и влажности при частоте 2 450 МГц;

– изучить распределение электрического поля в поярусно расположенных нестандартных резонаторах;

– разработать конструкционно-технологическую схему радиогерметичной хмелесушилки непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными резонаторами;

– определить эффективные энергетические параметры и режимы работы хмелесушилки.

Обзор литературы

Для сушки используют калориферные сушилки и установки активного вентилирования. Хмелесушилки различных систем и конструкций отличаются числом сушильных камер и ярусов

Электротехнологии и электрооборудование

Vol. 33, no. 1. 2023 сушильных сит, способом загрузки и выгрузки хмеля и вентилирования, типом топки. Применение циркуляции теплоносителя с помощью нагнетательной или вытяжной вентиляции увеличивает производительность хмелесушилок, но скорость теплоносителя должна быть не более 0,6 м/с. Обычно теплый воздух от калорифера поступает под нижний слой сушильной камеры.

Имеются хмелесушилки ПХБ-750 [2], ХС-400, мобильная хмелесушилка [3], где повышения термического КПД процесса сушки предлагается достичь за счет предварительного кондиционирования атмосферного воздуха и частичной рекуперацией агента сушки1. В технологии, реализованной в хмелесушилке с источником электромагнитного поля высокой частоты (40,68 МГц) для равномерной сушки свежеубранного хмеля, необходимо согласовать с высокой точностью толщину слоя, плотность, скорость передвижения транспортеров с температурой нагрева по ярусам2.

Поэтому разработка хмелесушилки непрерывно-поточного действия для сушки свежеубранного хмеля с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты и конвективного нагрева с сохранением потребительских характеристик актуальна.

Для агропредприятий разной мощности разработано несколько вариантов хмелесушилок с энергоподводом в электромагнитном поле, обеспечивающих реализацию основных критериев: непрерывность процесса сушки с использованием магнетронов воздушного охлаждения, радиогерметичность сушилки, высокая напряженность электрического поля в сырье, равномерность распределения волн в резонаторах. Все хмелесушилки содержат металлодиэлектрические резонаторы с криволинейными поверхностями: патент № 2774186 [4; 5], патент № 2772992 [6], патент № 2770628 [7], патент № 27729873 [8].

Все эти сушилки с энергоподводом в электромагнитном поле рационально использовать при сушке хмеля производительностью 150–200 кг/ч. Для фермерских хозяйств, где необходимая производительность хмелесушилки до 50 кг/ч, нужна малогабаритная СВЧ-конвективная сушилка. Поэтому разработка малогабаритной хмелесушилки непрерывно-поточного действия ярусного типа для сушки свежеубранного хмеля с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты и конвективного нагрева с сохранением потребительских характеристик важна .

Материалы и методы

При разработке СВЧ-конвективной хмелесушилки непрерывно-поточного действия после анализа электрофизических характеристик хмеля в зависимости от частоты, влажности, температуры, плотности, по данным И. А. Рогова, теоретически обоснованы

– метод энергоподвода и вид сушильного агента к рабочей камере;

– конструкционные исполнения нестандартных конфигураций резонаторов для трехэтапной сушки хмеля;

– количество и мощность магнетронов с волноводами воздушного охлаждения сантиметрового диапазона частоты, места их расположения на резонаторах для заданной производительности хме-лесушилки;

– конструкционное исполнение загрузочного и разгрузочного устройств транспортирующего механизма для обеспечения электромагнитной безопасности при непрерывном режиме работы;

– тип и мощность теплогенераторов, вентиляторов и места их расположения на хмелесушилке;

– эффективные электродинамические параметры резонаторов, такие как собственная добротность, напряженность электрического поля, мощность потока излучений;

– эффективные режимы сушки хмеля в каждом резонаторе, а именно: доза воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, расход конвективного тепла, расход энергии диэлектрического нагрева, общий расход энергии на хме-лесушилку;

– выбор системы контроля, регулирования и управления процессом сушки хмеля;

– эксплуатационные затраты на сушку хмеля СВЧ-конвективным способом и традиционным методом4.

При проектировании резонаторов нестандартных конфигураций основными критериями служили

– равномерность распределения электрического поля высокой напряженности электрического поля в сырье;

– возможность обеспечения непрерывного режима работы путем использования запредельных волноводов, замедляющих спиралей или неферромагнитных шлюзовых затворов;

– высокая собственная добротность, обеспечивающая повышение термического коэффициента полезного действия;

– допустимая мощность потока излучений около СВЧ-конвективной хме-лесушилки (10 мкВт/см2);

– минимальные удельные энергетические затраты на испарение 1 кг влаги из свежеубранного хмеля при производительности хмелесушилки, удовлетворяющей фермерским хозяйствам.

Том 33, № 1. 2023

С учетом всех этих обоснованных критериев проводили тщательную систематизацию и классификацию всего многообразия объемных резонаторов, предназначенных для термообработки сырья агропредприятий, в том числе сотни резонаторов, разработанных в нашей научной школе, после чего предложена методика разработки хмелесушилки с энергоподводом в электромагнитном поле.

Методика предусматривает анализ комплекса технологических требований к конструкционному исполнению хмелесушилки, к эксплуатационным и экономическим показателям. Основные технологические требования следующие: равномерное распределение потока воздуха; равномерная сушка массы и всех компонентов шишки; сохранение цвета, запаха и целостности шишки; сохранение ценных для пивоварения веществ; применение низкой температуры нагрева; регулирование толщины слоя хмеля; соблюдение скважности процесса.

При разработке конструкционного исполнения хмелесушилки, собранной из трех резонаторов с вогнутыми конфигурациями поверхностей, использовано трехмерное компьютерное моделирование установки. Пользуясь программным обеспечением CST Studio 2017 и модулем Time Domain Solver, проводили исследования напряженности электромагнитного поля, мощности потока излучений, собственной добротности резонаторов5. В ходе экспериментальных исследований проводились измерения электрических и физических параметров, характеризующих энергетические и технологические параметры процесса сушки: массы, температуры и влажности хмеля, скорости подачи хмеля и др. Пользовались методами и измерительными приборами, применяемыми на практике. Температуру на поверхности массы хмеля измеряли с помощью тепловизора FLIR В365. Важность шишек хмеля определяли с помощью влагомера Humimeter FLH. Скорость движения воздуха под слоем хмеля в рабочей камере измеряли анемометром и трубкой Пито. Источниками СВЧ-энергии являлись магнетроны с воздушным охлаждением, мощностью 750–850 Вт (МW20МД, МW71ЕR, СЕ283GNR, Н–MW1317, DL–63L 20S, работающие на частоте 2 450 МГц). Частоту вращения вала электродвигателя контролировали с помощью бесконтактного цифрового тахометра ДЕ22348.

Результаты исследования

Для оценки изменения диэлектрических параметров хмеля в процессе сушки представим структуру в виде «капиллярной модели» по методике И. А. Рогова⁶. Имеются зависимости диэлектрической проницаемости е и фактора диэлектрических потерь k от влажности:

Зная плотность сухих шишек хмеля ( ρ_с = 200 кг/м³), плотность воды (р в = 1 000 кг/м³), пористость шишек хмеля ( m = 0,5), влажность хмеля ( W = 76-82 %), удельную проводимость жидкости (σ = 1,1 ⋅ 10^–6 1/Ом∙м), можно получить формулы (2), пользуясь которыми можно приближенно оценить изменение диэлектрических параметров хмеля в процессе сушки:

£

= 81 .| 201

I 1000

• ( 1 - 0,5 ) х

Г w ) w ) х = 8,1 -             ,

( 1 - W )     ( 1 - W )

к =

( 200 ) ^ 1000 J

• ( 1 - 0,5 ) х

___________ 10 6 ___________

^Х 2 л • 2 450 Ч0⁶ • 1,1 - 10 ^{- 6} ^

W

1 - W

5,91 -

W

1 - W

2 ^ • f • ст

На рисунке 1 представлены зависимости диэлектрических параметров хмеля от влажности, рассчитанные по выражениям (2).

Р и с. 1. Зависимость диэлектрических характеристик хмеля от влажности на частоте 2 450 МГц

F i g. 1. Dependence of dielectric characteristics of hops on humidity at 2,450 MHz

6 Рогов И. А., Адаменко В. А., Некрутман С. В. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов.

Electrical technologies and equipment                                                           119

Для исследования динамики нагрева свежеубранного хмеля необходимо учесть изменения его электрофизических параметров в процессе воздействия электромагнитного поля СВЧ (ЭМП СВЧ). Эти изменения приведены в виде эмпирических зависимостей: фактор диэлектрических потерь при температуре 25–60 ^оС, k = 3,28^ e 0' ⁰² 4 Т ; теплоемкость при температуре 0–50 ^оС, С = 3 800 Дж/кг∙^оС; плотность хмеля ρ = 24,12∙ е ^{0,029∙ W} , при влажности 10–80 % ρ = 200 кг/м³.

Известны формулы, описывающие мощность диэлектрических потерь Р _уд через фактор диэлектрических потерь сырья k и электродинамические параметры Е, f системы «резонатор ‒ генератор» (3), а также через физические параметры сырья (4): теплоемкость и плотность⁷ [9; 10]:

Р^ = 8,85 ■ 10 14 ■ 2 ■ к ■ f ■ k ■ E ² = уд

= 0,556 ■ 10 ■ f ■ k ■ E ²,Вт/см³, (3)

где Е – напряженность электрического поля, В/см; f – частота электромагнитного поля, Гц:

Р уд =^ T • p • C ¹ = 10 -3^ 1. (4) ’ At ц cm

Том 33, № 1. 2023

Из уравнений (3), (4) после интегрирования получено выражение (5), описывающее динамику эндогенного нагрева хмеля в ЭМП СВЧ при разной напряженности электрического поля (ЭП):

T = ln ( 4,46 • 10 - 9 • E ² • т ) / 0,024, °С/с. (5)

Расчеты показывают, что, например, при напряженности электрического поля, равной 2 000 В/см, и продолжительности воздействия 300 с приращение температуры нагрева хмеля влажностью 72 % составит 69,9 °С. Графики, характеризующие динамику нагрева хмеля при разных напряженностях ЭП, приведены на рисунке 2. Если обеспечить в каждом резонаторе по 2 кВ/см, то за 10 мин в единице объема хмеля температура диэлектрического нагрева составит 99–100 °С. Но температура нагрева хмеля выше 65-70 °С не допускается, следовательно, за 5–6 мин пребывания в трех резонаторах шишки хмеля нагреются до 65–70 °С.

Из анализа разработанных резонаторов вытекает, что в эллипсоидном резонаторе, выполненном в виде тюбинга, и в конденсаторной части тороидального

Продолжительность, с / Duration, s

Р и с. 2. Динамика нагрева хмеля при разных напряженностях ЭП: 1,2 кВ/см; 2,0 кВ/см

F i g. 2. Dynamics of hop heating at different EF intensities: 1.2 kV/cm; 2.0 kV/cm

резонатора можно обеспечить высокую напряженность электрического поля для стерилизации сырья [11]. Поэтому в соответствии с заданной целью, сушка хмеля в щадящем режиме, и с учетом предварительных расчетов мощности диэлектрического нагрева разработана СВЧ-конвективная хмелесушилка с тремя резонаторами, один из которых выполнен в виде тюбинга (рис 3).

Хмелесушилка (рис. 3) содержит соосно и поярусно расположенные резонаторы 4, 7, 11 в вертикально расположенном цилиндрическом экранирующем корпусе 1 [12]. Основаниями верхнего 4 и нижнего 11 полусферических перфорированных резонаторов служат соответственно перфорированные неферромагнитные диски 6 и 10, являющиеся основаниями перфорированного эллипсоидного резонатора 7. Внутри него по горизонтальной оси расположен диэлектрический перфорированный диск 9 диаметром меньше диаметра эллипсоида, а диаметры неферромагнитных дисков 6, 10 меньше диаметров полусферических резонаторов 4, 11.

Р и с. 3. Хмелесушилка непрерывно-поточного действия с источниками эндогенно-конвективного нагрева: a) общий вид в разрезе;

• b) верхняя перфорированная полусфера; c) неферромагнитный (это может быть алюминий, медь, золото) перфорированный диск; d) диэлектрический перфорированный диск;

• e) перфорированный эллипсоидный резонатор; 1 - цилиндрический экранирующий корпус;

• 2 - запредельный волновод; 3 - магнетрон на верхнем полусферическом резонаторе;

• 4    - верхний полусферический перфорированный резонатор;

• 5    - запредельный волновод-воздухоотвод; 6 - неферромагнитный перфорированный диск;

• 7    - перфорированный эллипсоидный резонатор из неферромагнитного материала;

• 8    - магнетроны на поверхности эллипсоидного резонатора;

• 9    - диэлектрический перфорированный диск; 10 - неферромагнитный перфорированный диск; 11 - нижний полусферический перфорированный резонатор; 12 - электропривод дисков;

• 13 - запредельный волновод – выгрузной патрубок с заслонкой; 14 - магнетроны на поверхности нижнего резонатора; 15 - запредельный волновод-воздуховод

F i g. 3. Continuous-flow hop dryer with endogenous convective heating sources:

• a) general view in section; b) upper perforated hemisphere; c) non-ferromagnetic (it can be aluminum, copper, gold) perforated disk; d) dielectric perforated disk; e) perforated ellipsoidal resonator; 1 - cylindrical shielding body; 2 - forbidden waveguide;

• 3    - magnetron on the upper hemispherical resonator; 4 - upper hemispherical perforated resonator;

• 5    – forbidden waveguide-airguide; 6 – non-ferromagnetic perforated disk; 7 – perforated ellipsoid resonator of non-ferromagnetic material; 8 - magnetrons on the surface of the ellipsoid resonator;

• 9    – dielectric perforated disk; 10 – non-ferromagnetic perforated disk; 11 – bottom hemispherical perforated resonator; 12 – electric drive of disks; 13 – forbidden waveguide – discharge pipe with a flap;

14 – magnetrons on the surface of the bottom resonator; 15 – forbidden waveguide-air duct

Ширина кольцевых щелей между соответствующими резонаторами и дисками больше продольного размера шишек хмеля. Диски 6 , 9 , 10 установлены с возможностью регулирования по высоте на вал, вращающийся от электродвигателя 12 , расположенного на нижнем основании цилиндрического экранирующего корпуса 1 . К верхнему полусферическому резонатору 4 по центру прикреплен запредельный волновод 2 с приемной емкостью, а к нижнему полусферическому резонатору 11 прикреплен запредельный волновод 13 с выгрузной емкостью и заслонкой. Излучатели от магнетронов 3 , 14 , расположенных на основаниях экранирующего корпуса, направлены в соответствующие полусферические резонаторы. На боковой поверхности экранирующего корпуса со сдвигом на 120 градусов установлены магнетроны 8 , так что излучатели направлены в резонатор 7 в виде тюбинга диаметром, равным диаметру экранирующего корпуса⁸ [12; 13]

Процесс сушки свежеубранного хмеля происходит следующим образом. Закрыть заслонку в приемной емкости 2 и загрузить шишки хмеля. Включить электродвигатель 12 , после чего все диски 6 , 9 , 10 начинают вращаться. Включить калорифер с вентилятором для подачи теплого воздуха (температура воздуха 65–75 ^оС) через воздуховод 15 в цилиндрический экранирующий корпус 1 . Закрыть заслонку выгрузного патрубка. Открыть заслонку в приемной емкости для подачи сырья через запредельный волновод в верхний резонатор 4 . Включить СВЧ-генераторы (магнетроны 3 , 8 , 10 ). В процессе вращения дисков 6 , 9 , 10 шишки хмеля перемешиваются в щадящем режиме, подвергаются воздействию ЭМП СВЧ и нагреваются за счет токов поляризации.

Градиенты температуры, давления и влажности при диэлектрическом нагреве направлены с центра шишек к периферии, при этом выделенная влага с поверхности шишек испаряется за счет конвективного нагрева теплым воздухом [14; 15]. Отработанный влажный воздух через перфорированные резонаторы 4, 7, 11 и воздухоотвод 5 удаляется. Так как воздуховод 15 и воздухоотвод 5 расположены по диагонали на основаниях цилиндрического экранирующего корпуса 1, нагретый воздух проникает в слои шишек через поярусно расположенные перфорированные резонаторы. Происходит сушка свежеубранных шишек хмеля за счет диэлектрического и конвективного нагрева. Частично нагретые шишки хмеля высыпаются через кольцевые отверстия между диском 6 и полусферическим резонатором 4 в перфорированный эллипсоидный резонатор и распределяются на поверхности перфорированного диэлектрического диска 9. Здесь в процессе вращения диска 9 шишки хмеля перемешиваются, подвергаются конвективному нагреву и воздействию ЭМП СВЧ другой дозы, чем в верхнем полусферическом резонаторе 4, так как расположены три магнетрона со сдвигом на 120 градусов по периметру эллипсоидного резонатора 7. Поверхностная влага испаряется за счет конвективного нагрева, влажный воздух удаляется через перфорированные резонаторы и возду-хоотвод 5. Окончательное высушивание шишек хмеля происходит в нижнем полусферическом перфорированном резонаторе 11, куда с эллипсоидного резонатора сырье высыпается через кольцевое отверстие между неферромагнитным перфорированным диском 10 и поверхностью резонатора 11. Доза воздействия ЭМП СВЧ в этом резонаторе ниже, чем в резонаторе-тюбинге. Поярусное изменение скорости нагрева сырья, в зависимости от влажности, обеспечивает равномерный эндогенный нагрев шишек хмеля по сечению и сушку, тем самым сохранеяет его потребительские свойства. Высушенные шишки хмеля удаляются через запредельный волновод 13 при открытии заслонки на определенную пропускную способность. Ведется контроль температуры и влажности в каждом резонаторе. Расчеты, выполненные по методике С. И. Баскакова и В. А. Коломейцева, показывают, что цилиндрический неферромагнитный корпус, толщиной 1,5 см и диаметром, кратным половине длины волны, обеспечивает радиогерметичность хмелесушилки9.

Пользуясь трехмерным моделированием объемных резонаторов в программе CST Microwave Studio, SolidWorks, получаем электродинамические параметры резонаторов, в том числе эллипсоидного резонатора (рис. 4) 10 . Исследования показывают, что необходимая напряженность ЭП 2 кВ/см во всех трех резонаторах обеспечивается, следовательно, обеззараживание сырья происходит при температуре 65–70 ^оС за 5–6 мин пребывания в трех резонаторах. Собственная добротность полусферического резонатора составляет 9 000, а эллипсоидного 7 400.

■104.520, -70 202,-245.944 5^8695e-09J/mA3

119.278. 239.607, -53.275

Р и с. 4. Электродинамические параметры эллипсоидного резонатора:

1 - распределение электромагнитного поля по осям х , у , z ;

• 2    - напряженность электрического поля, В/м; 3 - напряженность магнитного поля, А/м;

• 4    – поверхностный ток, А/м; 5 - энергия излучения электрической составляющей, Вт/м³;

6 - энергия излучения магнитной составляющей, Вт/м3

F i g. 4. Electrodynamic parameters of ellipsoid resonator:

• 1    - electromagnetic field distribution along x , y , z axes; 2 - electric field strength, V/m;

• 3 - magnetic field strength, A/m; 4 ‒ surface current, A/m; 5 - radiation energy of electric component, W/m³;

6 - radiation energy of magnetic component, W/m3

Обсуждение и заключение

В результате теоретических исследований получены зависимости электрофизических параметров хмеля от влажности и разработана конструкционно-технологическая схема хмелесушилки непрерывно-поточного действия с поярусно расположенными нетрадиционными резонаторами и с источниками энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты.

Предварительно обоснованные удельные энергетические затраты хмелесушилки при мощности СВЧ-генераторов 4,0 кВт (без учета мощности калорифера и вентилятора) для

Том 33, № 1. 2023

сушки свежеубранного хмеля влажностью 76–82 % до влажности 11–14 % составляют 0,30–0,33 кВт∙ч/кг.

Предварительные экспериментальные исследования показывают, что интенсивность влаговыделения из шишек хмеля при СВЧ-конвективном нагреве возрастает в 5–6 раз, по сравнению с конвективным способом сушки, при сохранении ценных для пивоварения качеств.

Внедрение микроволновой технологии сушки с применением конвективного способа испарения и удаления влаги из сушильной камеры позволяет сократить продолжительность процесса, сберечь ценные компоненты шишек.

Поступила 26.09.2022; одобрена после рецензирования 03.11.2022; принята к публикации 28.12.2022

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 26.09.2022; revised 03.11.2022; accepted 28.12.2022