РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА МИКРОВОЛНОВОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА МИКРОВОЛНОВОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

Научная статья

Смирнов С.В.^1, *, Морозов Г.А.², Морозов О.Г.³, Насыбуллин А.Р.⁴, Анфиногентов В.И.⁵, Фархутдинов Р.В.⁶, Белов Э.В.⁷

¹ ORCID: 0000-0002-1586-136X;

^1-7 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия

* Корреспондирующий автор (svsmirnov93[at]mail.ru)

Аннотация

В данной статье обсуждаются вопросы контроля параметров процесса микроволновой переработки куриного помета в топливные брикеты. Необходимость описанного в статье технологического комплекса объясняется остростоящей проблемой охраны окружающей среды, связанной с отходами животноводческих комплексов. Важнейшей задачей является быстрая утилизация и переработка образующихся навозосодержащих отходов. За счет своих преимуществ перед традиционным нагревом, применение микроволнового нагрева в установке конвейерного типа позволит ускорить процесс переработки помета [1]. Для эффективной переработки отходов разработана конструкция датчиков для контроля процесса переработки на основе измерения комплексной диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала. Полученная измерительная информация может быть использована для адаптивного управления установкой. Представлены результаты компьютерного электромагнитного моделирования планарного резонансного датчика и СВЧ камеры для переработки куриного помета в брикетированное топливо.

Ключевые слова: микроволновая переработка, отходы животноводства, планарная полосковая структура, датчик контроля влажности, диэлектрические свойства.

DEVELOPMENT OF A METHOD FOR MONITORING THE PARAMETERS OF THE MICROWAVE PROCESSING OF ANIMAL WASTE

Research article

Smirnov S.V.^1, *, Morozov G.A.², Morozov O.G.³, Nasybullin A.R.⁴, Anfinogentov V.I.⁵, Farkhutdinov R.V.⁶, Belov E.V.⁷

¹ ORCID: 0000-0002-1586-136X;

^1-7 A. N. Tupolev Kazan National Research Technical University, Kazan, Russia

* Corresponding author (svsmirnov93[at]mail.ru)

Abstract

The article discusses the control of parameters of the microwave processing of chicken manure into fuel briquettes. The need for the technological complex described in the article is explained by the acute problem of environmental protection associated with waste from livestock complexes. The most important task is the rapid disposal and processing of the resulting manure-containing waste. Due to its advantages over traditional heating, the use of microwave heating in a conveyor-type installation will speed up the process of manure processing [1]. The study presents the design of sensors for monitoring the processing based on the measurement of the complex permittivity of the processed material for efficient waste processing. The resulting measurement data can be used for adaptive plant management. The study provides the results of computer electromagnetic modeling of a planar resonant sensor and a microwave chamber for processing chicken manure into briquetted fuel.

Keywords: microwave processing, animal waste, planar strip structure, humidity control sensor, dielectric properties.

Введение

На современном уровне развития животноводческой отрасли требуются принципиально новые подходы к проблеме утилизации отходов производства. Целью данного исследования является исключение ущерба, наносимого окружающей природной среде в результате накапливания отходов, а также создание условий для получения дополнительного дохода от реализации уже переработанных так называемых отходов [2]. Одним из вариантов утилизации куриного помета является его переработка в брикетированное топливо. Благодаря низкому уровню зольности и небольшому проценту выделяемого углекислого газа популярность топливных брикетов из навоза растет с каждым годом. Сравнение брикетов с другими видами топлива приведены в таблице 1. Теплота сгорания навозных топливных брикетов сравнима с углем.

 

Таблица 1 – Сравнение брикетов с другими видами топлива

Вид топлива	Теплота сгорания (МДж/кг)	Зола, %	Сера, %
Каменный уголь	15-25	10-35	1-3
Дрова	10	2	0
Брикеты навозные	18,4	2,5	0,1
Брикеты торфяные	14,9	23	1-3

 

За счет меньшего образования продуктов сгорания, увеличивается срок службы оборудования. Малый процент серы при сгорании (0,1%) практически не наносит вреда окружающей среде [3].

Начальная влажность куриного помета может составлять 30-75% в зависимости от способа удаления отходов из помещения для хранения. Готовый продукт должен содержать влажность 10-15%, поэтому появляется задача контроля влажности в процессе СВЧ сушки.

СВЧ конвейерная установка по переработке навоза и помета

В настоящее время разработана и внедрена в производство микроволновая установка по переработке помета в удобрение и твердое топливо. Доказаны эффективность и экологичность процесса переработки, показана возможность стерилизации обрабатываемого материала от условно-патогенных микроорганизмов и жизнеспособных личинок и яиц гельминтов [4].

За время работы установки возникла необходимость создания адаптивной системы управления процессом переработки, применение которой позволит контролировать влажность перерабатываемого материала и улучшить качество изготовляемых продуктов.

Решить данную задачу возможно размещением измерительных датчиков на входе конвейерной установки для контроля исходного материала, датчика промежуточного контроля, который будет установлен между камерами «сушки» и «досушки», и датчика контроля на выходе [5]. Структурная схема конвейерной СВЧ установки для сушки показана на Рис 1.

 

 

Рис. 1 – Структурная схема конвейерной установки по переработке помета с адаптивной системой контроля и управления процессом

 

Для решения задачи равномерности нагрева разработана шестирупорная излучающая система, рассчитанная на частоту 2,45 ГГц (Рис.2,а). Волноводы настроены и согласованы положением короткозамкнутой стенки и расположением точек возбуждения рупоров [6]. Шесть рупоров возбуждаются тремя волноводами, каждый из которых подключается к отдельному СВЧ генератору. На рис. 2,б показано распределение плотности мощности потерь в объекте нагрева, расположенного в СВЧ камере обработки. В качестве объекта нагрева моделировался материал с электромагнитными параметрами, характерными для куриного помета с влажностью 70%. Результаты моделирования коэффициента отражения от возбуждающих волноводов и коэффициента развязки между излучателями представлены на рис. 3. На частоте 2,45 ГГц коэффициент отражения не больше -10 дБ (рис. 3,а) и коэффициент развязки между излучателями не больше -30 дБ (рис. 3,б), что приемлемо для работы магнетронов промышленного применения.

   

Рис. 2 – Внешний вид СВЧ камеры (а) и распределение плотности мощности потерь в объекте нагрева (б)

   

Рис. 3 – Коэффициент отражения излучателей (а) и коэффициент развязки между излучателями (б) на частоте 2,45 ГГц

 

Из результатов моделирования можно наблюдать неравномерность нагрева по толщине слоя, что говорит о необходимости контроля диэлектрических свойств объекта нагрева в процессе обработки.

Измерение диэлектрических параметров объекта обработки

Разработка датчика для оперативного контроля изменения диэлектрических параметров перерабатываемых отходов предполагает знание характера зависимости комплексной диэлектрической проницаемости от значений влажности. С этой целью было проведено измерение комплексной диэлектрической проницаемости куриного помета на частоте 2,45 ГГц при различной влажности исследуемого материала. В качестве метода измерения был выбран метод коаксиального пробника. Куриный помет сушили в СВЧ камере и с периодичностью в 2 минуты проводили измерение вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь с помощью анализатора цепей Agilent E5071C [7]. Результаты измерения диэлектрических параметров куриного помета показаны в таблице 2.

 

Таблица 2 – Результаты измерения диэлектрических свойств куриного помета на частоте 2,45 ГГц

Время обработки, мин	Диэлектрическая проницаемость,	Тангенс угла диэлектрических потерь,	Масса, гр	Расчетная влажность, %	Температура, °С
Исходный материал	43,25	0,5581	184,6	71	18
2	39,78	0,44602	163,9	67	93
4	34,76	0,3591	139,8	61	100
6	31,87	0,29163	109,3	51	100
8	12,25	0,2523	80	32	100
10	2,81	0,2135	60	10	100
10,30	1,3	0,1	53,9	0	100

 

Разработка датчиков контроля влажности

В качестве типа преобразовательного элемента датчика было предложено использовать ближнеполевые резонансные структуры в полосковом исполнении. Резонансная структура представляет собой кольцевой резонатор на основе несимметричной полосковой линии [8]. В верхнем экране несимметричной полосковой линии введена кольцевая щель (Рис. 4 а). Между верхним и нижним экраном симметричной полосковой линии расположен полосковый кольцевой резонатор с внешним диаметром 14 мм и шириной 1,62 мм. На расстоянии 0,4 мм от полоскового кольцевого резонатора в одной горизонтальной плоскости расположен полосок шириной 1,62 мм, возбуждающий резонатор (Рис. 4 б). Верхняя кольцевая щель расположена на одной оси с нижним полосковым кольцевым резонатором и имеет идентичные с ним размеры. Волновое сопротивление возбуждающей резонатор линии составляло 50 Ом. В качестве верхнего и нижнего диэлектриков симметричной полосковой линии выступали листы фторопласта толщиной 1 мм.

 

Рис. 4 – Несимметричная полосковая линия: а) верхний экран, б) полосок и контур между экранами в диэлектрике

 

Исследование резонансных характеристик датчика было проведено с помощью компьютерного электромагнитного моделирования. Моделируемый датчик калибровался по ранее измеренным значениям комплексной диэлектрической проницаемости куриного помета для различной влажности. Исследуемый материал в компьютерной модели задавался как слой диэлектрика с соответствующими диэлектрическими параметрами, соприкасающийся с верхним экраном несимметричной полосковой линии.

Результаты моделирования коэффициентов передачи при моделировании процесса измерения диэлектрической проницаемости куриного помета с влажностью 10% и 71% изображены на рис. 5.

 

Рис.5 – Моделирование коэффициентов передачи при моделировании процесса измерения диэлектрической проницаемости куриного помета с влажностью 10% и 71%

 

Как можно наблюдать на графике, сдвиг резонансной частоты составляет 70 МГц, что показывает возможность дальнейшего применения датчика в системе контроля и адаптивных контурах управления процессом конвейерной СВЧ переработки навоза и помета.

Решением проблемы неравномерности нагрева по толщине слоя, выявленной при моделировании (рис.2 б), может являться установка двух датчиков в одном месте, сверху и снизу перерабатываемого материала, что позволит получать более корректные данные о состоянии влажности объекта и, следовательно, управляя скоростью транспортерной ленты и временем работы излучающих систем, качественный изготовляемый продукт с заданной влажностью.

Заключение

В результате экспериментального исследование показана связь диэлектрической проницаемости и влажности материала.

Моделирование процесса СВЧ воздействия на материал с диэлектрическими свойствами куриного помета показало возможность создания установки для переработки отходов птицеводства в брикетированное топливо. Также во время моделирования выявлены недостатки в виде неравномерности нагрева по толщине слоя всего материала. Для решения данной проблемы создана модель датчика контроля на основе несимметричной полосковой линии, и произведено компьютерное моделирование процесса измерения коэффициентов передачи, результаты которого показали возможность дальнейшего применения датчика в системе контроля и адаптивных контурах управления процессом конвейерной СВЧ переработки помета в твердотельное брикетированное топливо.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Насыбуллин А.Р. Электромагнитные поля в технологии интенсификации процессов переработки полимерных отходов / А.Р. Насыбуллин, О.Г. Морозов, Г.А. Морозов // Научный журнал «Экология и промышленность России». – 2018. – Т. 22. – № 11. – С. 19-23.
2. Хамоков М.М. Оптимизация режимов работы установки для переработки птичьего помета / М.М. Хамоков, Ю.А. Шекихачев, В.З. Алоев и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. – 2012. – № 75. – С. 275-284.
3. Букета В.Я. Изготовление топливных брикетов на основе безотходных технологий / В.Я. Букета, В.Ю. Русаков // Материалы XI международной конференции «Инновационные тенденции развития российской науки». – Красноярск. – 2018. – 109 с.
4. Смирнов С.В. Исследование СВЧ технологических комплексов переработки твердых и жидких сред / С.В. Смирнов, Г.А. Морозов, О.Г. Морозов и др. // Научный журнал «Инженерный вестник Дона». – 2018. – № 4. – [Электронный ресурс] : URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5311 (дата обращения: 10.10.2020)
5. Смирнов С.В. Микроволновые технологии переработки отходов коневодческих предприятий / С.В. Смирнов, А.Р. Насыбуллин, Р.В. Фархутдинов // Материалы конференции «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы». – 2019. – С. 211-214.
6. Смирнов С.В. Исследование воздействия ЭМП СВЧ на конский навоз разработка модели рабочей камеры СВЧ переработки / С.В. Смирнов // Материалы международной молодёжной научной конференции «XXIV Туполевские чтения». – 2019. – С. 529-533.
7. Морозов Г.А. Функционально адаптивные СВЧ-технологии в задачах переработки термопластичных полимерных материалов / Г.А. Морозов, О.Г. Морозов, Р.Р. Самигуллин и др. // Вестник Марийского государственного технического университета. – 2011. – № 3(13). – С. 13-24.
8. Совлуков А.С. Резонаторный метод измерения физических свойств жидкостей с применением полосковых линий / А.С. Совлуков, А.А. Маслов, В.В. Яценко и др. // Вестник Мурманского государственного технического университета. – 2009. – Т. 12. – № 2. – С. 271-275.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Nasybullin A.R. Jelektromagnitnye polja v tehnologii intensifikacii processov pererabotki polimernyh othodov [The electromagnetic field in the technology of an intensification of processes of processing of polymeric waste] / A.R. Nasybullin, O.G. Morozov, G.A. Morozov // Nauchnyj zhurnal «Jekologija i promyshlennost' Rossii». [Scientific journal «Ecology and industry of Russia»]. – 2018. – V. 22. – № 11. – P. 19-23. [in Russian]
2. Hamokov M.M. Optimizacija rezhimov raboty ustanovki dlja pererabotki ptich'ego pometa [Optimization of the operation modes of the plant for processing bird droppings] / M.M. Hamokov, Ju.A. Shekihachev, V.Z. Aloev et al // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. [Polythematic network electronic scientific journal of Kuban state agrarian University]. – 2012. – № 75. P. 275-284. [in Russian]
3. Buketa V.Ja. Izgotovlenie toplivnyh briketov na osnove bezothodnyh tehnologij [Production of fuel briquettes based on waste-free technologies] / V.Ja. Buketa, V.Ju. Rusakov // Materialy XI mezhdunarodnoj konferencii «Innovacionnye tendencii razvitija rossijskoj nauki». – Krasnojarsk. [Materials of the XI international conference "Innovative trends in the development of Russian science". – Krasnoyarsk]. – 2018. – 109 p. [in Russian]
4. Smirnov S.V. Issledovanie SVCh tehnologicheskih kompleksov pererabotki tverdyh i zhidkih sred [Research of microwave technological complexes for processing solid and liquid media] [Electronic resource] / S.V. Smirnov, G.A. Morozov, O.G. Morozov and others // Inzhenernyj vestnik Dona [Engineering Bulletin of the don]. – 2018. – №4. – [Electronic resource] URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5311 (accessed: 10.10.2020) [in Russian]
5. Smirnov S.V. Mikrovolnovye tehnologii pererabotki othodov konevodcheskih predprijatij [Microwave technologies for processing horse-breeding enterprises waste] / S.V. Smirnov, A.R. Nasybullin, R.V. Farhutdinov // Materialy konferencii «Prikladnaja jelektrodinamika, fotonika i zhivye sistemy-2019». [Proceedings of the conference "Applied electrodynamics, Photonics and living systems – 2019»]. – 2019. – P. 211-214. [in Russian]
6. Smirnov S.V. Issledovanie vozdejstvija JeMP SVCh na konskij navoz razrabotka modeli rabochej kamery SVCh pererabotki [Study of the effect of EMF microwave on horse manure development of a model of the working chamber of microwave processing] / S.V. Smirnov // Materialy mezhdunarodnoj molodjozhnoj nauchnoj konferencii «XXIV Tupolevskie chtenija» [Materials of the international youth scientific conference «XXIV Tupolev Readings»]. – 2019. – P. 529-533. [in Russian]
7. Morozov G.A. Funkcional'no adaptivnye SVCh-tehnologii v zadachah pererabotki termoplastichnyh polimernyh materialov [Functionally adaptive microwave technologies for processing thermoplastic polymer materials] / G.A. Morozov, O.G. Morozov, R.R. Samigullin and others // Vestnik Marijskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Mari state technical University.]. – 2011. – № 3(13). – P. 13-24. [in Russian]
8. Sovlukov A.S. Rezonatornyj metod izmerenija fizicheskih svojstv zhidkostej s primeneniem poloskovyh linij [Resonator method for measuring the physical properties of liquids using strip lines] / A.S. Sovlukov, A.A. Maslov, V.V. Jacenko and others // Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Murmansk state technical University]. – 2009. – V. 12. – № 2. – P. 271-275. [in Russian]