Methods and UHF Technique for Defrosting and Warming Animal Foremilk

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.132.94
Issue: № 6 (132), 2023
Suggested:
03.05.2023
Accepted:
31.05.2023
Published:
16.06.2023
415
0
XML
PDF

Abstract

Materials and methods. The developed requirements to the technological equipment for defrosting and heating of animal foremilk provide the possibility to provide the optimal flow of the technological process at the optimal design of the unit, taking into account the optimization criteria of the parameters reflecting both the technical and technological functioning of the equipment.

Results and discussion. Microwave defrosters with one and two resonators designed for farms are presented. At defrosting of milled frozen raw materials it is more preferable to use microwave unit with one coaxial resonator, containing in the annular space electrically driven dielectric rotor with multilevel perforated ellipsoid chambers, allowing due to centrifugal force to separate the liquid part during the phase transition. The unit provides electromagnetic safety without a shielding housing, and has a sufficiently high intrinsic quality (8500) due to the fact that the inner cylinder of the coaxial resonator is replaced by a screw, which has a much smaller surface area than the cylinder. The use of three air-cooled magnetrons, offset by 120 degrees on the perimeter of the outer cylinder, increases the reliability of the unit in the event of prolonged continuous operation, and ensures a uniform distribution of the electromagnetic field.

Conclusion. When choosing effective methods for freezing foremilk, the technical features and capabilities of cattle farms should be analysed. In the thermophysical aspect, rational conditions and methods of freezing and defrosting of colostrum should be sought to increase the intensity of heat transfer and reduce the duration of defrosting and heating, by reducing the size of frozen particles and using microwave energy supply in one volumetric resonator. The electrodynamic system provides the required parameters of EMF, namely the necessary power (2.4-3.0 kW) and fulfilment of the requirements for the introduction of technological process of defrosting and heating of raw materials with the implementation of the necessary temperature regimes and sufficient electric field strength (0.6-1.2 kV/cm) to ensure reduction of bacterial contamination of the product to MPC.

1. Введение

Способы дефростации молозива животных довольно разнообразны, их выбор зависит от того в какой таре заморожено молозиво, от этого зависит режимы воздействия ЭМПСВЧ. Наиболее распространенный способ замораживания молозива в условиях фермерских хозяйств, это в пластиковых бутылках разного объема. Поэтому разработанные рабочие камеры в виде объемных резонаторов рассчитаны на реализацию технологии размораживания и разогрева сырья, замороженного в пластиковых бутылках

,
,
. Особенность такого способа размораживания и разогрева молозива состоит в использовании для реализации процесса, с учетом фазового перехода сырья, двухрезонаторной СВЧ установки (рис. 1).

СВЧ-размораживатель непрерывно-поточного действия с состыкованными коаксиальным и коническим резонаторами для дефростации и разогрева молозива животных (патент № 2761810)

Рисунок 1 - СВЧ-размораживатель непрерывно-поточного действия с состыкованными коаксиальным и коническим резонаторами для дефростации и разогрева молозива животных (патент № 2761810)

Проблема низкая эффективность существующих технологий и размораживателей молозива животных решается путем реализации СВЧ дефростеров, позволяющих ускорить процесс подготовки к выпойке продукта с сохраненной кормовой ценностью при низких эксплуатационных затратах. В настоящей работе приведены основные СВЧ размораживатели с одним или с двумя резонаторами, разработанные в объединенной научной школе
.

2. Методы и принципы исследования

На основе обзора литературы

,
,
и практического опыта коллектива научной школы
,
,
,
выработаны требования к технологическому оборудованию для размораживания и разогрева молозива животных:

1. Обеспечить оптимальное протекание технологического процесса. При разработке дефростера проводят оптимальное конструирование, когда в число критериев оптимизации входят все параметры, отражающие как техническое, так и технологическое функционирование оборудования;

2. Иметь хорошую технико-экономическую эффективность (снижение затрат на единицу продукции, рост производительности труда)

,
,
;

3. Должно быть технически совершенно (соответствует современному уровню техники) и надежно (сохранять эксплуатационные показатели в заданных пределах);

4. Должно быть технологичным (конструкция должна соответствовать оптимальным способом изготовления);

5. Максимальное применение стандартных деталей и изделий. Это повысит технологичность и серийность установки, ускорить проектирование и снизить ремонтную сложность, что удешевляет производство;

6. Должно состоять из несложно соединяемых узлов и блоков, что облегчает разборку и сборку при монтаже и ремонте;

7. Рабочие органы должны обладать высокой износостойкостью;

8. Детали внутри резонатора должны быть из фторопласта;

9. Должно обеспечит электромагнитную безопасность и соблюдение производственной санитарии.

Трехмерное проектирование конструкционных исполнений установок проводили с помощью программы SolidWorks, Компас 3D V20.

3. Основные результаты

Молозиво животных во всех фермах КРС замораживают до – 10 оС в пластиковых бутылках с целью обеспечения продолжительного хранения и сохранения максимальной степени их питательной ценности. Методы и оборудование для замораживания разнообразные, но преимущественно – это морозильные камеры. Перспективнее технология замораживания в псевдоожиженном слое, с получением продукта россыпью. В этом случае высокая эффективность аппаратов обусловлена коэффициентом теплоотдачи молозива – до 180 Вт/(м2оС)

. При этом воздушный поток играет роль воздушной подушки и пронизывает целиком слой молозива в морозильной камере и замороженный продукт россыпью высокого качества. Такие аппараты существуют для замораживания различных фруктов и овощей. Для замораживания молозива животных с получением россыпью находится на стадии разработки из-за высоких требований к стерильности воздуха, обеспечивающего псевдоожижения. При использовании замороженного молозива россыпью, продолжительность его размораживания и разогрева в СВЧ установке и эксплуатационные затраты на технологический процесс на много уменьшится, и кормовая ценность сохранится. Ниже приведены некоторые СВЧ дефростеры с одними и двумя резонаторами, предназначенные для фермерских хозяйств. Первая установка выполнена с коаксиальным и коническим резонаторами (рис. 1). В кольцевом пространстве перемещается электроприводной конвейер с замороженным сырьем в пластиковых бутылках. На основании коаксиального резонатора, со средним периметром, кратным половине длины волны, имеется загрузочный патрубок 13, выполняющий функцию запредельного волновода. Перфорированное основание 4 конического резонатора диаметром менее четверти длины волны.

В СВЧ установке с коническими резонаторами (рис. 2) кольцевое пространство разделено на отсеки 3. В нижнем резонаторе установлены диэлектрические направляющие 8 и конический накопитель. Конструктивные размеры резонаторов согласованы с длиной волны, а их вершины усечены диаметром не более четверти длины волны.
СВЧ-размораживатель с состыкованными вершинами конических резонаторов (патент № 2775137)

Рисунок 2 - СВЧ-размораживатель с состыкованными вершинами конических резонаторов (патент № 2775137)

Примечание: 1 − верхний усечённый конический резонатор, 2 − диэлектрический контейнер с отсеками; 4 − магнетроны на основании верхнего усеченного конического резонатора; 5 − диэлектрический вал для вращения диэлектрического контейнера; 6 − цилиндрическая неферромагнитная муфта; 7 − нижний усечённый конический резонатор; 8 − диэлектрическая направляющая в виде усеченного конуса; 9 − диэлектрическая коническая направляющая; 10 − диэлектрический конический накопитель; 11 − шаровой кран; 12 − магнетроны на основании нижнего усеченного конического резонатора; 13 − опорные ролики; 14 − замороженное сырье без пластиковой бутылки; 15 − запредельный волновод

Установка с перевернутым тороидальным резонатором (рис. 3), представленный в виде коаксиально расположенных цилиндров разной высоты с общим нижним неферромагнитным основанием. Верхнее основание 3 внутреннего цилиндра 11 перфорирована и к нему прикреплена керамическая стационарная обечайка 4 в виде усеченного конуса. Этот цилиндр выполняет функцию второго резонатора. В конденсаторную часть размещен электроприводной перфорированный диэлектрический секционный диск 6. Малая продолжительность перехода из замороженного состояния в жидкое состояние сохраняет кормовую ценность молозива животных.
СВЧ-размораживатель молозива животных с соосно расположенными тороидальным и цилиндрическим резонаторами

Рисунок 3 - СВЧ-размораживатель молозива животных с соосно расположенными тороидальным и цилиндрическим резонаторами

Примечание: 1 − тороидальный резонатор; 2 − тороидальная часть резонатора; 3 - перфорированное основание; 4 − керамическая обечайка в виде усеченного конуса; 5 − конденсаторная часть тороидального резонатора; 6 − электроприводной диэлектрический перфорированный секционный диск; 7, 9 − магнетроны; 8 - окно для загрузки сырья, закрытое алюминиевой шторой; 10 − неферромагнитное основание; 11 − цилиндрический резонатор; 12 − патрубок с шаровым краном

В установке (рис. 4) один тороидальный резонатор обеспечивает на уровне конденсаторной части перемещение замороженного сырья в пластиковых бутылках, наклоненных горлышком к центру, по диэлектрической круглой платформе. Жидкое сырье разогревается и стерилизуется при высокой напряженности электрического поля в керамическом цилиндре, расположенном в конденсаторной части, позволяющем сконцентрировать энергию электромагнитных излучений в сырье. На кольцевых основаниях резонатора, средний периметр которых кратен половине длины волны, имеются отверстия для тары, состыкованные с соответствующими шлюзовыми затворами 1, 10.
СВЧ-размораживатель молозива животных непрерывно-поточного действия с тороидальным резонатором

Рисунок 4 - СВЧ-размораживатель молозива животных непрерывно-поточного действия с тороидальным резонатором

Примечание: заявка № 2022120392 (положительное решение)

При дефростации измельченного замороженного сырья преимущественнее использование СВЧ установки с одним коаксиальным резонатором, содержащим в кольцевом пространстве электроприводной диэлектрический ротор с многоярусными перфорированными эллипсоидными камерами, позволяющими за счет центробежной силы отделить жидкую часть при фазовом переходе (рис. 5). Функцию внутреннего цилиндра коаксиального резонатора выполняет неферромагнитный винтовой шнек, обеспечивающий равномерное распределение замороженных измельченных частиц сырья в диэлектрических эллипсоидных перфорированных камерах, где происходит фазовый переход сырья
,
,
. Жидкое молозиво подвергается воздействию ЭМПСВЧ между камерами другой дозой в турбулентном режиме, что резко ускоряет весь технологический процесс подготовки молозива к выпойке телятам. Установка радиогерметичная без экранирующего корпуса
.
Размораживатель молозива животных непрерывно-поточного действия с СВЧ энергоподводом в коаксиальный резонатор

Рисунок 5 - Размораживатель молозива животных непрерывно-поточного действия с СВЧ энергоподводом в коаксиальный резонатор

Примечание: 1 − неферромагнитный цилиндрический экранирующий корпус; 2 − коаксиальный резонатор; 3 − перфорированные радиопрозрачные эллипсоиды; 4 − радиопрозрачный перфорированный цилиндр; 5 − неферромагнитный винтовой шнек; 6 − зубчатый венец; 7 − электроприводная шестерня; 8, 10 − неферромагнитная емкость приемная; 9 − приемная емкость для разогретого молозива; 11 − приемная емкость для отходов; 12 − магнетроны воздушного охлаждения; 13 − неферромагнитная емкость загрузочная; 14 − измельчающий механизм

К перспективной конструкции можно отнести СВЧ дефростер с коаксиальным резонатором, позволяющим размораживать и разогревать сырье в турбулентном режиме в процессе транспортирования с помощью винтового шнека, шагом не более две глубины проникновения волны в сырье
,
,
. Для распределения электромагнитного поля в резонаторах с нагрузкой (генератор-резонатор-нагрузка) применено программное обеспечение
,
,
,
.

4. Заключение

1. Предварительные исследования показывают, что при выборе рациональных условий и эффективных методов замораживания молозива животных следует анализировать множество факторов: технические особенности и возможности ферм КРС;

2. В теплофизическом аспекте рациональные условия и методы замораживания и дефростации молозива надо искать в повышении интенсивности теплоотдачи и сокращения продолжительности процесса дефростации и разогрева, путем уменьшения размеров замороженных частиц и использования СВЧ энергоподвода в один объемный резонатор;

3. На данном этапе исследований к перспективной конструкции можно отнести СВЧ дефростер с коаксиальным резонатором, позволяющим размораживать и разогревать сырье в турбулентном режиме в процессе транспортирования с помощью винтового шнека, шагом не более две глубины проникновения волны в сырье

. Установка обеспечивает без экранирующего корпуса электромагнитную безопасность и обладает достаточно высокой собственной добротностью (8500) в связи с тем, что внутренний цилиндр коаксиального резонатора заменен шнеком, обладающим намного меньшим площадью поверхности, чем цилиндр;

4. Электродинамическая система обеспечивает заданные параметры ЭМП, а именно необходимую мощность (2,4-3,0 кВт) и выполнение требований к введению технологического процесса дефростации и разогрева сырья при реализации необходимых температурных режимов и достаточной напряженности электрического поля (0,6-1,2 кВ/см) для обеспечения снижения бактериальной обсемененности продукта до ПДК;

5. Использование трех магнетронов воздушного охлаждения со сдвигом на 120 градусов по периметру наружного цилиндра повышает надежность установки в случае длительной непрерывной работы, и обеспечивает равномерное распределение электромагнитного поля бегущей волны в кольцевом пространстве, средний периметр которого кратен половине длины волны.

Article metrics

Views:415
Downloads:0
Views
Total:
Views:415