На правах рукописи

УЕЗДНЫЙ Николай Тимофеевич

СВЧ УСТАНОВКА ДЛЯ

ТЕРМООБРАБОТКИ КРОВИ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ

05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

доктор технических наук, профессор

Научный руководитель – Новикова Галина Владимировна

Официальные оппоненты:

Учеваткин Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, Государственное научное учреждение «Всероссийский научноисследовательский институт электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии», главный научный сотрудник отдела «Электротехнологии в сельском хозяйстве»;

Воробьев Андрей Викторович, доктор технических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.

Тимирязева, институт механики и энергетики, профессор кафедры «Автоматизированный электропривод».

Федеральное государственное бюджетное обра

Ведущая организация – зовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет»

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии».

Автореферат разослан «18» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, А. И. Некрасов доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Кровь убойных животных – ценное сырье для производства продукции кормового назначения. По статистическим данным средний объем крови животных в мясокомбинатах России составляет 400 тыс. тонн в год. Из них 150 тыс. тонн используют для производства кормовых белковых добавок, т.е. 37,5%. В ЧР получают кровь убойных животных в объеме т/год, из них для производства белковых добавок может быть использовано 292,5 т/год, т.е. в каждом мясокомбинате средней мощности можно переработать 58,5 т/год крови.

В связи с этим поиск энергосберегающих технологий, обеспечивающих качественную переработку крови убойных животных, и использование ее в виде белкового корма для животных, актуален.

В настоящее время варку крови до состояния готовности осуществляют паром в коагуляторах различных конструкций. Их анализ свидетельствует о следующих недостатках: а) при коагуляции крови паром процесс нагревания протекает неравномерно и длительно, а на поверхности нагрева образуется слой коагулированных белков, который ухудшает теплопередачу, поэтому значительное количество микробов, содержащихся в крови, не гибнет; б) коагулированная масса крови содержит до 86 % влаги; в) через каждые 3…4 ч работы коагулятора его необходимо очищать от слоя крови, прилипающей к виткам шнека. Поэтому при проектировании установки для термообработки крови убойных животных на новом принципе следует создавать условия, позволяющие при сниженных энергетических затратах варить и обеззараживать сырье в поточном режиме, исключая перегрев.

Известно, что микроволны обладают стерилизующим эффектом в отношении патогенных микроорганизмов. Поэтому нами разработана установка для термообработки крови убойных животных с использованием энергии электромагнитных излучений разных длин волн.

Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку способов термообработки крови убойных животных на протяжении последних 20 лет внесли работы известных ученых: В.И. Ивашова, А.И. Бредихина, А.И. Пелеева, В.М. Горбатова, И.А. Рогова, М.Л. Файвишевского и др. Несмотря на наличие различных подходов к способам и средствам термообработки крови убойных животных в работах ученых недостаточное внимание уделено влиянию многих технологических факторов на качество получаемого продукта. Анализ исследований, выполненных многими авторами, позволяет выделить четыре основные технологические операции, требующие дальнейшего совершенствования: термообработка сырья в поточном режиме; измельчение вареной крови;

упаковка и замораживание продукта.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование параметров установки для термообработки крови убойных животных с сверхвысокочастотным и инфракрасным энергоподводами, обеспечивающей улучшение качества продукта при сниженных энергетических затратах.

Объектом исследования являются: поточный технологический процесс термообработки крови убойных животных и установка для его реализации;

кровь и продукты переработки.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса термообработки крови убойных животных в передвижных резонаторных камерах сверхвысокочастотного (СВЧ) генератора.

';

Концепция. Руководствуясь теорией электромагнитных волн, решена научно-техническая задача – разработка установки, обеспечивающей эффективную термообработку крови убойных животных в поточном режиме за счет комбинированного воздействия электромагнитных излучений сверхвысокочастотного и инфракрасного (ИК) диапазонов.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева.

Экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам, с применением электронной цифровой регистрирующей аппаратуры.

Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента. Структуру сырья и качество готового продукта оценивали через органолептические, физико-химические показатели по методикам, рекомендованным соответствующими стандартами.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- математические зависимости, позволяющие обосновать параметры рабочего органа и режимы работы установки, обеспечивающей термообработку крови убойных животных в передвижных резонаторных камерах СВЧ генератора;

- закономерности влияния режимов работы установки на динамику эндо-, экзогенного нагрева крови убойных животных с учетом изменения их диэлектрических и физико-механических параметров в процессе технологического воздействия;

- установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде передвижных цилиндрических резонаторных камер СВЧ генератора в экранирующем корпусе (заявки на изобретения № 2013137720 «Установка для термообработки крови с.-х. животных» от 14.08.2013 г. и № 2013146767 «Способ термообработки крови сельскохозяйственных животных» от 22.10.2013 г.);

- поточный технологический процесс термообработки крови убойных животных, рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение качества вареной крови при сниженных энергетических затратах.

Практическую значимость представляют: изготовленная и апробированная в производственных условиях установка для термообработки крови убойных животных, позволяющая улучшить качество вареной крови при сниженных энергетических затратах;

- методика расчета эффективных режимов термообработки крови убойных животных воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) и инфракрасных излучений в передвижных объемных резонаторах; конструкторская документация установки для термообработки крови убойных животных, включая дозатор крови.

Реализация результатов исследований. Исследования проведены в рамках Федеральной целевой программы «Разработка высокоэффективной технологии получения продуктов на основе крови убойных животных» по тематическому плану Министерства сельского хозяйства РФ, раздел «Нанотехнологии».

В соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА исследования технологического процесса термообработки крови убойных животных осуществлялись в лаборатории «Электротехнологии», а апробирование технологии и разработанной установки – в ОАО «Приволжское» Чебоксарского района ЧР и ООО «Вурнарский мясокомбинат» ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ им. Н.П. Огарева».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены:

- на всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2012…2013 г.г.);

- на международной научно-практической конференции «Актуальность вопроса совершенствования технологии производства и переработки продукции с.-х.»

(ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2013 г.);

- на международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 24.04.2013 г.);

- на межрегиональном молодежном образовательном форуме «Молгород – 2013» фестивале научно-технического творчества молодежи (04.06.2013 г.);

- в международном молодежном лагере идей (Scientific Camp SMITHY OF IDEAS). – Литовское общество молодых ученых: Железный волк. 12-12 LT Вильнюс, Литва (04.06.2013 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты исследований соискателя удостоены дипломов и сертификата за активное участие:

- во всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов: «Аграрная наука – основа успешного развития АПК»

(ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2013 г.);

- на международной научно-практической конференции «Актуальность вопроса совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 21.02.2013 г.);

- на международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 23.04. 2013 г.г.);

- во втором республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» в номинации «Лучший научно-исследовательский проект»;

- на 16-й международной выставке «Пир Экспо», «Деловая Программа», 01.10.2013 г., Москва;

- в молодежном лагере идей (Scientific Camp SMITHY OF IDEAS). – Литовское общество молодых ученых. Железный волк. 12-12 LT - 01112 Вильнюс, Литва (04.06.2013 г.).

Установка демонстрировалась на республиканском фестивале научнотехнического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (04.06.2013 г.); выставке, посвящнной Дню работников сельского хозяйства (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 08.11.2013 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 9 научных работах, в том числе в 4 – из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 138 наименований и приложений. Работа изложена на 150 страницах, содержит 66 рисунков и 25 таблиц.

Основные результаты исследования и положения, выносимые на защиту:

- конструктивная схема установки, обеспечивающей термообработку крови убойных животных в поточном режиме с использованием СВЧ и ИК энергоподводов;

- математические зависимости и методика, позволяющие обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы установки для термообработки крови убойных животных;

- разработанная и апробированная в производственных условиях установка для термообработки крови убойных животных, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде передвижных цилиндрических объемных резонаторов СВЧ генератора с возможностью их опрокидывания, расположенных в цилиндрическом экранирующем корпусе, содержащем загрузочный дозатор и выгрузной патрубок;

- разработанный поточный технологический процесс термообработки крови убойных животных, комплекс конструктивно-технологических параметров и рабочие режимы установки, обеспечивающей улучшение качества вареной крови при сниженных энергетических затратах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, обозначены проблемные моменты в процессе термообработки крови убойных животных, охарактеризованы решаемые в работе задачи, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований, выделен объект исследований, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.

Основываясь на существующие способы и технические средства для коагуляции и сушки крови убойных животных, нами предлагается осуществить термообработку крови в установке с использованием СВЧ и ИК энергоподводов.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен анализ ресурсов и объемов перерабатываемого сырья, существующих коагуляторов и сушилок при производстве кровяной муки, определены задачи исследований. Проанализированы физико-механические и диэлектрические параметры крови убойных животных как объекта исследования. На основе анализа определены методы решения поставленных задач.

Исследования, на основе которых можно совершенствовать механизированные технологии термообработки крови убойных животных, проведены в работах известных ученых.

Системный анализ литературных источников в областях: а) электротехнологии – Азарова Б.М., Стребкова Д.С., Башилова А.М., Воробьева В. А., Кудрявцева И.Ф., Цугленка Н.В. и др.; б) теории процессов и аппаратов – Кавецкого Г.Д., Лыкова А.В., Плаксина Ю.М., Гинзбурга А.С., Сыроедова В.И., Лебедева П.Д. и др. позволил усовершенствовать процесс термообработки крови убойных животных; разработать эффективную модель установки с СВЧ и ИК энергоподводами для варки крови. Особое место в разработке таких процессов занимают новые электротехнологии, в частности использующие энергию электромагнитного поля СВЧ диапазона. К основополагающим работам в этой области следует отнести труды академиков Бородина И.Ф. и Рогова И.А., раскрывающие как общефизические, так и биотехнологические аспекты применения СВЧ энергии.

Основные научные задачи:

1. Разработать операционно-технологическую схему переработки крови убойных животных в кормовую добавку и схему конструктивного исполнения установки с использованием СВЧ и ИК энергоподводов для термообработки крови в поточном режиме;

2. Разработать методику и вывести математические зависимости, позволяющие обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы установки для термообработки крови убойных животных;

3. Разработать, изготовить и апробировать в производственных условиях опытный образец установки для термообработки крови убойных животных;

определить рациональные конструктивно-технологические параметры и режимы ее работы;

4. Провести сравнительную оценку качества продукта на основе органолептических, физико-химических и микробиологических показателей; провести технико-экономическую оценку применения установки с СВЧ и ИК энергоподводами для термообработки крови убойных животных.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы установки для термообработки крови убойных животных» приведены:

структурная схема исследований; схема процесса термообработки крови убойных животных; элементы теории взаимодействия отдельных рабочих узлов с сырьем; методика согласования конструктивно-технологических параметров и режимов работы установки.

Технологическая схема производства вареной крови предусматривает следующие операции (рис. 1): залив крови в приемную емкость дозатора; дозирование сырья-крови в объемные резонаторы в процессе их передвижения, многократный эндо-, экзогенный нагрев сырья, чередующийся с паузой; выгрузка сваренной крови посредством опрокидывания объемных резонаторов; измельчение и фасование вареной крови в специальные мешки; транспортирование в холодильную камеру; транспортирование в животноводческие хозяйства. Схема термообработки крови убойных животных разработана с учетом следующих требований к процессу:

- термообработка крови происходит за счет многократного последовательного воздействия через паузу электромагнитного поля сверхвысокой частоты и инфракрасных излучений;

- установка работает в поточном режиме;

- кровь подается в передвижные объемные резонаторы дозированно, в автоматическом режиме;

- выгрузка вареной крови происходит за счет опрокидывания соответствующих объемных резонаторов;

- термообработка обеспечивает затормаживание развития всех видов патогенных микроорганизмов в сваренной крови при сниженных энергетических затратах и исключает потери крови;

- сохраняет физико-химические свойства и товарный вид вареной крови; обеспечивает экологическую безопасность для обслуживающего персонала.

Приемка крови убойных Дозированная подача крови в передвижные резонаторные камеры резонаторных камер Выгрузка вареной крови в лоток в Транспортирование Измельчение Транспортирование Фасование вареной Транспортирование в холодильную камеру Охлаждение и хранение готовой продукции при температуре 3..6оС Транспортирование продукта для реализации в животноводческих хозяйствах Рисунок 1 – Операционно-технологическая схема производства вареной крови Технический результат заключается в интенсификации процесса термообработки крови убойных животных в поточном режиме и в повышении качества готового продукта. Установка для термообработки крови убойных животных содержит цилиндрический экранирующий корпус 1, внутри которого расположен ротор 2. По всему периметру ротора вертикально вмонтированы, посредством шарнирных петель 3, нижние части цилиндрических резонаторных камер 4, внутри которых установлены под углом съемные термостойкие диэлектрические контейнеры 13. Верхние части резонаторных камер 5 жестко закреплены под СВЧ генераторами 6. При этом излучатель направлен в сторону передвижных резонаторных камер. СВЧ генераторы и ИК лампы 7 расположены с чередованием по периметру на верхнем основании экранирующего корпуса 1, куда установлен мотор-редуктор 8 для привода ротора 2. На боковой поверхности, в области расположения упорного элемента 15, вмонтирован выгрузной лоток 14. Установка содержит дозатор 11. Пространственное изображение установки, выполненное на основе программы KOMPAS-3D V13, приведено на рис. 2в.

Рисунок 2 – Схема установки для термообработки крови убойных животных:

а) вид сбоку, при открытой боковой поверхности экранирующего корпуса; б) вид сверху;

в) пространственное изображение; г) расположение резонаторных камер на роторе; 1 – цилиндрический экранирующий корпус, 2 – ротор, 3 – шарнирная петля, 4,5 – цилиндрическая резонаторная камера (нижняя часть 4, верхняя часть 5), 6 – СВЧ генератор с излучателем, 7 – лампы ИК нагрева, 8 – мотор-редуктор, 9 – натяжной ободок, 10 – блок управления, 11 – дозатор,12 – люк, 13 – диэлектрические контейнеры, 14 – выгрузной лоток, 15 – упорный элемент Методика согласования параметров и режимов работы установки для При проектировании установки необходимо провести:

- выбор источников энергоподводов и их количества;

- обоснование конструктивного исполнения объемных резонаторов, выбор их компоновки в рабочей экранирующей камере;

- согласование добротности и емкости объемного резонатора с напряженностью электрического поля в сырье;

- обоснование циклов воздействия ЭМИ по интервалам времени;

- обоснование температуры нагрева сырья в зависимости от удельной мощности источников энергоподвода;

- расчет производительности и сравнение с заданной производительностью.

а) Согласование угла опрокидывания резонаторных камер с продолжительностью выгрузки. Монтаж цилиндрического объемного резонатора на грузонесущий ротор осуществляется через шарнирную петлю, обеспечивающую его поворот на 90 градусов. Такой угол не обеспечивает выгрузку сваренной крови в приемный лоток в поточном режиме. Для увеличения угла скольжения продукта и снижения коэффициента трения, внутрь объемного резонатора жестко закреплен термостойкий диэлектрический контейнер (4) с углом наклона образующей (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема выгрузки сырья в процессе опрокидывания объемного резонатора (а); опрокидывание нижних частей резонаторных камер (б): 1 – излучатель; 2 – верхняя часть резонаторной камеры; 3 – воздушный зазор; 4 – нижняя часть резонаторной камеры; 5 – диэлектрический контейнер; 6 – кровь убойных животных; 7 – грузонесущий ротор; 8 – шарнирная петля Причем широкое основание контейнера вырезано под углом 1, что повышает угол ската продукта. Для обоснования продолжительности скольжения вареной крови с диэлектрического контейнера, расположенного внутри объемного резонатора, составлена схема (рис. 3). Итак, угол опрокидывания объемного резонатора 90 градусов, а угол наклона диэлектрического контейнера внутри резонаторной камеры равен. Угол, при котором вареная кровь скатится в приемный лоток, составляет 1 = 90 +. Для определения продолжительности выгрузки сваренной крови с диэлектрического контейнера составляем дифференциальное уравнение движения продукта. При этом учитываем, что в любой момент t на продукт действуют три силы: вес P, сила трения F и реакция плоскости N1. N P cos, T P sin, F k N k cos. (1) Тогда, равнодействующая сила эквивалентной системы:

где k – коэффициент трения вареной крови о диэлектрический контейнер.

Решив дифференциальное уравнение (3):

получаем уравнение движения продукта по диэлектрическому контейнеру:

С учетом того, что размеры цилиндрического резонатора согласованы с длиной волны ( = 12,24 см), и что добротность цилиндрического резонатора будет достаточно большой величиной, если высота цилиндра не меньше, чем радиус, поэтому высоту и диаметр резонатора обосновали как 1,25 длины волны. Тогда продолжительность выгрузки продукта из выражения (4) составит:

Выгрузка продукта из диэлектрического контейнера в процессе его передвижения происходит при наличии угла наклона диэлектрического контейнера 135…140 градусов в течение 2…3 с.

Известно, что объемный резонатор – это самая совершенная колебательная система. Так как глубина проникновения ЭМПСВЧ в кровь 1…5 см, поэтому равномерное распределение теплового потока по всему объему сырья возможно, если его размеры не превышают 5 см. Потери на резонансной частоте зависят от собственной и нагруженной добротности объемного резонатора. В проектируемом объемном резонаторе энергия, накопленная в резонаторе, расходуется на потери внутри резонатора, поглощается на внутреннем сопротивлении генератора и в нагрузке, а также расходуется на излучение через воздушный зазор между частями резонаторной камеры. Нагруженная добротность, с учетом излучения через зазор между частями резонаторной камеры, определяется по формуле:

где W – энергия, запасенная в объемном резонаторе, Дж; Рпотерь – мощность потерь в резонаторе, Вт; Pнагр – мощность потерь в нагрузке, Вт; Рген. – мощность потерь на внутреннем сопротивлении генератора, Вт; Ризлучение – мощность потерь через воздушный зазор между частями резонаторной камеры, Вт;

о = 2, 1/с; – частота ЭМП ( 2450 МГц).

Ориентировочно определяем собственную добротность объемного резонаV где V – объем резонатора, м3; – толщина поверхностного слоя, зависящая от удельной проводимости материала резонатора, при выполнении из алюминия на частоте 2450 МГц равна 1,7310-5 м; S – площадь внутренней поверхности стенок резонатора (0,0882 м2). Если диаметр объемного резонатора принять 1,25, тогда Q0 = 0,3105 = 3684 (рис. 4).

С учетом эмпирических зависимостей диэлектрических параметров крови от температуры нагрева: = 77,88e-0,05, tg = 0,308e-0,016, изменение нагруженной добротности резонатора в процессе варки крови можно представить формулами при загрузке 150 см3 и 200 см3 соответственно:

Графики изменения нагруженной добротности объемного резонатора приведены на рис. 4.

Рисунок 4 – Изменение нагруженной добротности объемного резонатора Напряженность электрического поля в сырье определяли по известной формуле, с учетом изменения его диэлектрической проницаемости в процессе где V – объем резонатора, м3; Р – мощность источника СВЧ излучения, Вт;

f – частота электромагнитного поля, Гц, Тогда при изменении нагруженной добротности в пределах (100…300), напряженность электрического поля составит Е = 0,9…3,65 кВ/см.

Суммарный результирующий тепловой поток на поверхности крови, находящейся в резонаторной камере от блока из шести ИК излучателей, определяли по методике Гинзбурга А.С. Исследования показывают, что эффективный суммарный тепловой поток равный 2,69 кВт/м2 достигается при высоте расположения излучателей от резонаторных камер 0,17 м, шаге между излучателями 0,82 м, и при выполнении экрана излучателя из алюминия с отражательной способностью 0,85, причем расстояние от излучателей до экрана 0, б) Согласование продолжительности воздействия электромагнитных излучений (ЭМИ) на сырье со скоростью передвижения резонаторных камер.

Методика согласования параметров установки приведена в табл.1.

Таблица 1 – Методика согласования конструктивно-технологических Задаем конструктивные параметры ротора – конвейера: диаметр D (2 м), ширину грузонесущей платформы для определения длины окружности ротора (L = · D).

Определяем конструктивные размеры объемного резонатора (диаметр dр.к и высота hр.к резонаторной камеры) через добротность Q и напряженность электрического поля Е, и их количество N в зависимости от длины окружности ротора (L).

Задаем производительность установки (Q = Gобщ /общ) с учетом известной мощности источников энергии и их количества; общая масса загрузки сырья Gобщ = Gр.к ·N; Gр.к – масса сырья в одном объемном резонаторе (150…200 г.);

N – количество резонаторных камер (32 шт.).

Экспериментально определяем необходимое приращение температуры при воздействии СВЧ (Тсвч) и ИК (Тик) излучений, зная общее приращение температуры для варки крови 68…70оС (То – начальная температура сырья, 8…10оС).

Экспериментально определяем продолжительность воздействия ЭМП СВЧ (свч) при соответствующей удельной мощности генератора Руд (4…5,33 Вт/г) с учетом приращения температуры 40оС.

Вычисляем массу загрузки сырья в одну резонаторную камеру при обоснованной удельной мощности генератора (Gр.к = Рсвч./Руд.), где Рсвч – полезная мощность СВЧ генератора (800 Вт).

Определяем общую продолжительность обработки крови (общ = свч + ик + пауза + выгрузка + загрузка = 288 с).

Вычисляем продолжительность ИК излучений из общей продолжительности обработки крови с учетом продолжительности паузы (пауза ), выгрузки (выгрузка) и загрузки сырья (загрузка).

Проводим согласование общей продолжительности обработки сырья (общ) с линейной скоростью грузонесущего ротора (); = · R = 0,022 ·1= 0,022 м/с, где – скорость привода ротора ( = 0,022 с-1); ммR – радиус ротора, м.

Исследования показывают, что кровь убойных животных целесообразно варить в поточном режиме в радиопрозрачных контейнерах, расположенных в передвижных объемных резонаторах.

В третьем разделе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены программа экспериментальных исследований, частные методики исследований и характеристики использованной измерительной техники;

описание разработанной и изготовленной установки для термообработки крови убойных животных. Источниками СВЧ энергии служили генераторы Rolsen MS 1770 MD, МW – М 1700,MW – M1700, MS – 2642W, MW 87 – HR M13 – 4022G.

Источником ИК излучений служили лампы BLY195-405, мощностью 400 Вт, напряжением 110 В. Измельчение вареной крови осуществляли с помощью «Волчка» Гамма -7-0 мощностью 0,13 кВт, а учет массы сырья и продукта – с помощью электронных весов EN-405. Контроль мощности привода рабочей камеры проводили цифровым измерителем мощности D2436АВ и УМТК – V3.1.1, а частоту вращения – с помощью фототахометра Digital Tachometer ДТ - 2234А.

Регулирование частоты вращения привода ротора осуществляли преобразователем частоты марки CIMP – F7Z42P2. Мощность потока электромагнитных излучений установки измеряли с помощью прибора ПЗ-33. Температуру в продукте регистрировали цифровым контролером E5CN (с термопарой), а исследование распределения теплового потока по поверхности продукта – с помощью тепловизора FLIR i3.

В четвертом разделе «Результаты исследования процесса термообработки крови убойных животных» приведены: результаты исследования динамики эндогенного нагрева крови; оценка продукта по органолептическим, физикохимическим и микробиологическим показателям; матрица планирования трехфакторного эксперимента для оптимизации энергетических затрат на термообработку и режимов работы установки.

Рисунок 5 – Динамика нагрева крови убойных животных при воздействии ЭМП СВЧ и ИК излучения: 1) Руд. СВЧ = 9,34 Вт/г; 2) Руд. СВЧ = 6,74 Вт/г;

Экспериментальные исследования динамики нагрева крови убойных животных показывают, что приращение температуры в продукте 54…57оС при удельных мощностях СВЧ генератора 9,34 Вт/г, 6,74 Вт/г, 5,23 Вт/г, и при постоянной удельной мощности ИК излучений, равной 4,5 Вт/г, достигается в течении 45 с, 60 с, 75 соответственно (рис. 5). Пользуясь методикой активного планирования уд. СВЧ = 5,23 Вт/г; 4)эксперимента и программой «Statistic V5.0», поР трехфакторного Руд. ИК = 4,5 Вт/г строены поверхности отклика и их двумерные сечения в изолиниях моделей (рис. 6). Исследования температурных полей, проведенные с помощью тепловизора FLIR i3, показывают, что трехкратное воздействие ЭМПСВЧ и ИК излучений сырья в передвижных резонаторных камерах позволяет снизить неравномерность нагрева до 7оС, по сравнению с воздействием в стационарном режиме, где отклонение температуры достигает 25…30оС.

Общая продолжительность воздействия СВЧ и ИК излучений, мин Рисунок 6 – Двумерные сечения в изолиниях трехфакторных моделей производительности (а) и энергетических затрат (б) установки для термообработки крови животных при постоянной мощности ИК излучений 2,4 кВт В ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике» проведена оценка вареной крови опытного и контрольного образцов на основе органолептических, микробиологических и физико-химических показателей (протокол испытаний № 1097 от 15.08.2013 г.). Результаты исследований физико-химических показателей образцов приведены в табл. 2. Испытано 4 образца в 4-х кратной повторности: образец – кровь, сваренная по традиционной технологи; остальные образцы подвергали воздействию ЭМИ по предложенной технологии; 2 образец – в течение 45 с до температуры 69оС; 3 образец – в течение 60 с до 76оС; 4 образец – в течение 75 с до 81оС. При оценке органолептических показателей вареной крови использовали 9 - балльные шкалы, представленные в соответствии с требованиями ГОСТ 9959-91. На рис. 7 приведены виды сырья и продуктов из крови. Из результатов исследований вытекает, что органолептические показатели опытного образца лучше контрольного на 9 баллов (рис. 8).

Рисунок 7 – Сырье и продукты из крови убойных животных: а – кровь убойных животных, б – кровь после термообработки, в – вареная кровь после измельчения (влажность 66%); г) – вареная замороженная кровь ЭМИ (рис.10). В результате термической обработки крови убойных животных воздействием СВЧ и ИК излучений в разработанной установке в течение 288 с получена продукция влажностью 66%, при начальной влажности сырья 80 %. Схематическое изображение динамики нагрева сырья в процессе термообработки в рабочей камере установки с СВЧ и ИК энергоподводами представлено на рис. 9. В процессе эксперимента не наблюдалось коробления и растрескивания продукта. Такой процесс термообработки крови существенно сокращает продолжительность и энергетические затраты на получение вареной крови. Общая продолжительность обработки 288 с, из них нагрев с СВЧ и ИК энергоподводами по 27 с, пауза – 216 с, выгрузка – 9 с, загрузка – 9 с.

Рисунок 9 – Динамика нагрева сырья в процессе термообработки в рабочей камере установки с использованием СВЧ и ИК энергоподводов В испытательной лаборатории ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике – Чувашии» проводили контроль мощности потока излучений установки для термообработки крови убойных животных (протокол № Ф-087-Д-2013 от 16.09.2013 г.). Результаты исследования мощности потока СВЧ энергии в зависимости от расстояния и продолжительности работы персонала показывают, что мощность потока СВЧ энергии на расстоянии (0,2…1,5) м до установки составляет (0,1…0,04) Вт/см2, следовательно, по безопасной норме СВЧ излучения можно работать на расстоянии 1…1,5 м в течение 6 часов в сутки.

Таблица 3 – Техническая характеристика установки Окружная скорость передвижения контейнеров – резонаторных камер, м/с 0, Общий вид изготовленной установки для термообработки крови убойных животных с отдельными элементами узлов приведен на рис.10, а ее техническая характеристика – в табл. 3 Кровь в приемной емкости дозатора (рис11е) перемешивается и с помощью насоса перекачивается в соответствующие передвижные объемные резонаторы. Дозирование сырья в них происходит за счет редукционного клапана и датчика положения резонаторов.

Рисунок 10 – Установка для термообработки крови убойных животных: а) общий вид; б) передвижные резонаторные камеры с диэлектрическими контейнерами; в) опрокидывание резонаторных камер в процессе передвижения; г) продукт в резонаторной камере; д) датчик положения резонаторных камер; е) схематическое изображение дозатора крови: 1 – корпус дозатора; 2 – емкость для крови; 3 – диск для перемешивания сырья;

4 – электропривод; 5 – шланг для подачи крови; 6 – насос; 7 – тройник; 8 – дозирующий кран; 9 –датчик положения резонаторных камер, 10 – кран регулировки обратного потока В пятом разделе «Оценка экономической эффективности применения установки для термообработки убойных животных» представлено техникоэкономическое обоснование результатов исследований. Годовой экономический эффект от применения установки для термообработки крови убойных животных производительностью 40 кг/ч составит 471240 руб./ год. В результате рентабельность повысится на 13 %, срок окупаемости составит 2…3 месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований, положенных в основу диссертации, разработан технологический процесс термообработки крови убойных животных с использованием энергии электромагнитных излучений СВЧ и ИК диапазонов для линии производства белкового корма, и предложено конструктивное исполнение основных узлов установки для его реализации.

1. Исследована задача энергетической эффективности технических средств, предназначенных для производства кормовых добавок из крови убойных животных; предложена операционно-технологическая схема термообработки сырья с использованием экзо- эндогенного нагрева.

2. Получены математические выражения, позволяющие оценить параметры основных узлов установки, в том числе узла опрокидывания передвижных резонаторных камер, и предложена методика согласования конструктивнотехнологических параметров с режимами работы установки для термообработки крови убойных животных многократным циклическим воздействием электромагнитных излучений разных длин волн. Согласованы нагруженная добротность (100…300) и объем резонаторной камеры (2,8 л), обеспечивающие эффективную величину напряженности электрического поля (900 В/см) в сырье при термообработке до 78…80оС.

3. Предложена конструкция установки для термообработки крови убойных животных с использованием СВЧ и ИК энергоподводов, где транспортирование дозированного сырья осуществляется в термостойких диэлектрических контейнерах, расположенных под углом 45…50 градусов в цилиндрических передвижных объемных резонаторах, помещенных в экранирующий корпус. Дозирование крови осуществляется за счет редукционного клапана и датчика положения передвижных резонаторных камер, имеющих возможность опрокидывания продукта. Установлено, что эффективными режимами термообработки крови убойных животных являются удельная мощность СВЧ генератора – 5, Вт/г, мощность ИК ламп – 2,4 кВт, общая продолжительность процесса варки – 288 с, количество циклов воздействия ЭМИ за один оборот ротора с чередованием СВЧ и ИК через паузу – 3. Выявлено, что ротор диаметром 2 м, транспортирующий 32 цилиндрические резонаторные камеры внутренним диаметром 15,3 см обеспечивает производительность установки 40 кг/ч при скорости передвижения сырья 0,019 м/с. Экранирующий корпус СВЧ установки обеспечивает снижение мощности потока электромагнитных излучений на расстоянии 1,5 м до 230 мкВт/см2, что в четыре раза меньше предельно допустимого уровня.

4. В результате апробирования установки в производственных условиях выявлено: снижение удельных энергетических затрат на термообработку крови убойных животных – с 0,2 до 0,16 кВтч/кг; улучшение качества вареной крови на 9 баллов; снижение бактериальной обсемененностью продукта с 4,4 · КОЕ/см3 до 100 000 КОЕ/см3; увеличение срока хранения продукта в потребительской таре с 2 до 5 суток при температуре не выше 3…5оС; годовой экономический эффект от применения установки для термообработки крови убойных животных составит 471240 руб./ год.

Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработать установку с системой контроля и управления технологическим процессом термообработки крови убойных животных. Разработка передвижных объемных резонаторов СВЧ генератора приведет к появлению большого числа новых энергосберегающих технологий.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Уездный, Н.Т. Установка для термообработки крови с.-х. животных / М.В.

Белова, Н.Т. Уездный //Вестник Казанского государственного университета, 2012.

– № 3 (29). – С. 53…56.

2. Уездный, Н.Т. Экономическая эффективность применения СВЧ установки для термообработки субпродуктов / М.В. Белова, Н.Т. Уездный, И.Г. Ершова // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я.

Яковлева, 2013. – № 4 (80). – С. 30…33.

3. Уездный, Н.Т. Установка для термообработки крови с.-х. животных с использованием электромагнитных излучений /М.В. Белова, Н.Т. Уездный //Вестник Чувашского государственного университета им. И. Я. Яковлева, 2013. – № 4 (80). – С. 26…29.

4. Уездный, Н.Т. Обоснование параметров установки для термообработки крови убойных животных / Н.Т. Уездный, М.В. Белова, Г.В. Новикова //Вестник Чувашского государственного университета им. И. Я. Яковлева, 2013. – № 4 (80). – С. 34…36.

- публикации в сборниках научных трудов и материалов конференции:

5. Уездный, Н. Т. Оборудование для производства кровяной муки для животных с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (Equipment for producing blood meal for animals using energy of ultra-high frequency microwave) / Н.Т. Уездный, И.Г. Ершова, Г.В. Новикова // Молодежный лагерь идей (Scientific Camp SMITHY OF IDEAS). – Литовское общество молодых ученых:

Железный волк. 12-12 LT - 01112 Вильнюс, Литва (Lithuanian Society of Young Researchers Geleinio Vilko g. 12-12 LT – 01112 Vilnius Lithuania), 2013 – С. 16…18.

6. Уездный, Н.Т. Установка для термообработки крови с.-х. животных / Н.Т.

Уездный, М.В. Белова, Г.В. Новикова//Материалы IX всероссийской научнопрактической конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации», 2013. – Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА. – С. 245…248.

7. Уездный, Н.Т. Динамика нагрева крови убойных эндо - экзогенным нагревом /Н.Т. Уездный, М.В. Белова //Материалы IX всероссийской научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации», 2013. – Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА. – С. 248…251.

8. Уездный, Н.Т. Операционно-технологическая схема производства кровяной муки /Н.Т. Уездный, М.В. Белова//Материалы IX всероссийской научнопрактической конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации», 2013. – Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА. – С. 251…254.

9. Уездный, Н.Т. Установка для термообработки крови убойных животных/ М.В. Белова, Н.Т. Уездный, Г.В. Новикова //Материалы международной научнопрактической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные технологии повышения эффективности производства и хранения с.-х. продукции», 2013. – Харьков: Харьковский национальный аграрный университет им.

В.В. Докучаева. – С. 56…57.

Подписан в печать 18.11.2013 г. Формат 60х84/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.