автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:СВЧ установка для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйствах

ои

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВА Галина Александровна

СВЧ УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СЛИВОЧНОГО МАСЛА В ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВАХ

05.20,02 -электро технологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ лисели ации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

1 1 ОКТ 2012

005052978

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

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Михайлова Ольга Валентиновна

Официальные оппоненты:

Башилов Алексей Михайлович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина», заведующий кафедрой «Электротехнологии в с. х. производстве» Сторчевой Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообуст-ройства», декан механического факультета, проректор по учебной работе

Ведущая организация - федеральное государственное бюджетное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет»

Защита состоится «30» октября 2012 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, ВИЭСХ.

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

Автореферат разослан «25»

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время производство сливочного масла в РФ осуществляют более 700 предприятий, а среднегодовая мощность крупных и малых предприятий в 2009 г. составила 644,4 тыс. тонн, использование производственных мощностей - 27...35%. Собственного производства сливочного масла недостаточно для покрытия внутреннего спроса, поэтому Россия вынуждена импортировать данную продукцию в больших объемах. Отраслевая целевая программа «Развитие маслоделия России на 2011...2013 годы» (приказ Минсельхоза РФ от 12.10.2010 г. №349) предусматривает увеличение объема производства сливочного масла, сокращение импорта, обеспечение к 2013 году прироста объемов производства сливочного масла на 14,0% к уровню 2009 г. Для достижения данной программы на региональном уровне необходимо: осуществить техническую модернизацию цехов по производству и переработке сливочного масла; обеспечить вовлечение в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, получаемых при производстве сливочного масла; снизить энергопотребление за счет внедрения современных технологий переработки, повышающих пищевую и биологическую ценность продуктов, в том числе топленого масла. Объем производства сливочного масла в 2009 году в мире достиг -6,02 млн. т., в РФ - 231 тыс. т., а в Чувашской Республике (ЧР) - 14,5 тыс. т. (6,3 % от общероссийского объема производства). Темпы роста производства топленого масла за последние годы резко снизились, объем его производства в РФ в 2009 году составил 11,5 тыс.т., а в ЧР - 0,73 тыс.т.

В результате реализации программы к 2013 году будет обеспечено увеличение использования производственной мощности предприятий по производству сливочного и топленого масла с 27,2% до 41,2% за счет проведения модернизации на инновационной основе. Поэтому разработка энергосберегающей технологии выработки топленого масла, в том числе с использованием энергии электромагнитных излучений СВЧ диапазона, актуальна. В качестве СВЧ источника предлагается использовать генераторный блок от бытовых микроволновых печей частотой 2450 МГц, мощностью 1,2 кВт, где магнетрон является генератором с самовозбуждением.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование режимов работы установки для термообработки сливочного масла с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, позволяющей улучшить качество топленого масла при сниженных энергетических затратах.

Основные научные задачи:

- разработать методику термообработки сливочного масла многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере;

- обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установки на основе системно-комплексного решения задачи повышения качества продукции и исследований процесса термообработки сливочного масла, физико-химических, микробиологических изменений, происходящих в продукции;

- получить регрессионные зависимости, связывающие энергетические затраты на термообработку сырья с СВЧ энергоподводом и снижение бактериальной обсеме-ненности продукта с ключевыми факторами, влияющими на технологический процесс;

- разработать и испытать в производственных условиях СВЧ установку для термообработки сливочного масла, оценить технико-экономическую эффективность его применения в фермерских хозяйствах.

Объекты исследования: технологическое оборудование и процесс термообработки сливочного масла в перфорированной резонаторной камере с СВЧ энергоподводом; продукция.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса термообработки масло-сырья многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с разработанными частными методиками, базируются на разработке эффективных технологических процессов и установки для термообработки масло-сырья. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- математические выражения, позволяющие обосновать параметры электромагнитного поля СВЧ диапазона, обеспечивающие процесс термообработки масло-сырья в перфорированной резонаторной камере при многократном циклическом воздействии ЭМИ;

- закономерности влияния режимных параметров СВЧ установки на динамику эндогенного нагрева масло-сырья и на качество продукта;

- разработанная СВЧ установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде цилиндрических перфорированных резонаторных камер, расположенных в экранном корпусе, обеспечивающая термообработку масло-сырья в процессе многократной циркуляции через резонаторные камеры с помощью центробежного насоса (заявка на изобретение № 2011128533/10 от 08.07.2011 г., положительное решение от 04.07.2012 г.);

- рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров, обеспечивающие термообработку сливочного масла в ЭМПСВЧ при сниженных энергетических затратах с улучшением качества топленого масла, оцененного по ор-ганолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям.

Практическую значимость представляет изготовленная и испытанная в производственных условиях СВЧ установка для термообработки масло-сырья, позволяющая улучшить качество продукции при сниженных энергетических затратах.

Реализация результатов исследований. Разработка СВЧ установки для термообработки масло-сырья проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА, в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био-нанотехнологии». Исследование процесса термообработки сливочного масла в электромагнитном поле сверхвысокой частоты осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, производственное испытание СВЧ установки - в ООО «Вурнары Завод СОМ». Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспиран-

тов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (г. Уфа, ФГОУ ВПО БГАУ, 29.04.2011 г.); на XIII межрегиональной конференции-фестивале научного творчества учащейся молодежи «Юность Большой Волги» (г. Чебоксары, 14.05.2011 г.); на VII и VIII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (г.Чебоксары, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 30.03.2011 г. и 4.04.2012 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (г. Казань, ФГБОУ ВПО КГАУ, 25.04.2012 г.); на республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, 08.06.2012 г.).

Установка демонстрировалась на: республиканском конкурсе проектов среди молодежи «Эффективные пути развития АПК в Чувашской Республике» (Чебоксары, 2010 г.); XVIII выставке «Регионы - сотрудничество без границ» (Чебоксары, 23...26.06.2011 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационных исследований удостоены следующих наград:

- дипломы за активное участие: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2011 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012 г.); на XIV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2012 г.); на VII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», 2012 г.);

- благодарственное письмо за активное участие и плодотворную работу на XVIII выставке «Регионы - сотрудничество без границ», за подписью директора казенного унитарного предприятия 4P «Агро-инновации» Васильева Н.И. (г. Чебоксары, 28.06.2011 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 10 научных работах, в том числе 3 из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК РФ, и в монографии «СВЧ маслоплавитель», объемом 9,5 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 175 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, приложений. В диссертационной работе содержится 80 рисунков и 26 таблиц.

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

- разработанный технологический процесс термообработки масло-сырья многократным циклическим воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере;

- математические выражения, позволяющие согласовать напряженность электрического поля, емкость и добротность перфорированной резонаторной камеры с дли-

ной волны и мощностью потока излучений для выявления эффективных конструктивных параметров СВЧ установки для термообработки масло-сырья;

- разработанная, изготовленная и испытанная в производственных условиях СВЧ установка для термообработки масло-сырья, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде цилиндрических перфорированных резонаторных камер, расположенных в экранном корпусе;

- рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки с СВЧ энергоподводом, обеспечивающие термообработку сливочного масла при сниженных энергетических затратах и улучшение качества топленого масла.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, выделен объект исследований, а также приведены основные положения, выносимые на защиту. Основываясь на существующие способы и технические средства для термообработки сливочного масла, нами предлагается воздействовать ЭМП СВЧ на сливочное масло в процессе перекачивания его через перфорированные резонаторные камеры для улучшения качества топленого масла.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен анализ ресурсов и объемов перерабатываемого сырья, существующих маслоплавителей, определены задачи исследований. Проанализированы физико-механические и диэлектрические параметры сливочного и топленого масла, как объекта воздействия.

Системный анализ литературных источников в областях:

- разработки технологического оборудования для переработки молочных продуктов таких авторов, как Бредихин С. А., Вышемирский Ф. А. и др.;

- электротехнологии - Стребков Д. С., Бородин И. Ф., Башилов А. М., Рогов И. А., Воробьев В. А., Кириллов Н. К., Кудрявцев И. Ф., Новикова Г. В., Цугленок Н. В. и др.;

- теории процессов и аппаратов - Кавецкий Г. Д., Лыков А. В., Плаксин Ю. М., Гинзбург А. С. и др.;

- теории объемных резонаторов - Атабеков Г. И., Пчельников Ю.Н., Нейман М. С., Кисунько Г. В., Бунимович В. И., Корчагин Ю. В., Крылов Н. Н. и др. - позволил усовершенствовать процесс термообработки сливочного масла, разработать конструктивное исполнение рабочей емкости с перфорированными резонаторными камерами и выявить эффективную модель СВЧ установки.

Во второй главе «Теоретические основы процесса термообработки сливочного масла» приведены: структурная схема исследований (рис.1), схема процесса термообработки сливочного масла, элементы теории взаимодействия отдельных рабочих узлов с сырьем, обоснование добротности перфорированных резонаторных камер и напряженности электрического поля, методика согласования конструктивно-технологических параметров узлов СВЧ установки, теоретические исследования динамики нагрева масло-сырья.

Технологическая схема выработки топленого масла предусматривает следующие операции: залив воды в рабочую емкость; загрузка масло-сырья; многократное перекачивание смеси воды с частично расплавленным сырьем через перфорированные резонаторные камеры с помощью центробежного насоса; эндогенный нагрев сырья в перфорированных резонаторных камерах в процессе перекачивания; добавление соли; слив продукции с рабочей емкости в фильтрационную тару; охлаждение топленого масла.

Аналитическая часть работы I. Обзор методов и технических средств, обеспечивающих термообработку сливочного масла с целью получения объективной информации для формулирования научной цели и конкретизации задач собственных исследований. 2. Обоснование возможности применения СВЧ энергоподвода для термообработки масло-сырья и разработка технологической схемы установки с перфорированными резонаторными камерами для обеспечения многократного циклического воздействия ЭМП СВЧ. 3. Согласование напряженности электрического поля, мощности потока излучений, длины волны с емкостью и добротностью цилиндрической'перфорированной резо-наторной камеры. 4. Разработка математической модели процесса термообработки

масло-сырья в ЭМП СВЧ._

_Экспериментальная часть работы_

1. Проектирование и изготовление лабораторного образца СВЧ установки, предназначенной для термообработки сливочного масла. 2. Выбор современной контрольно-измерительной аппаратуры по мощности и диапазону измерения соответствующих параметров._

_Проведение экспериментальных исследований_

1. Исследование распределения теплового потока в масло-сырье в процессе его термообработки в СВЧ установке и мощности потока излучений СВЧ диапазона при использовании перфорированной резонаторной камеры. 2. Испытание СВЧ установки в производственных условиях в ООО «Вурнары Завод СОМ» и оценка качества продукции по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям. 3. Математическая обработка экспериментальных данных, получение расчетных зависимостей, подтверждение математических моделей. 4. Обоснование конструктивно-технологических параметров и режимов работы СВЧ установки для термообработки сливочного масла в цилиндрических перфорированных резонатор-ных камерах при многократном циклическом воздействии ЭМП СВЧ. 5. Технико-экономическая оценка применения СВЧ установки для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйствах._

Рисунок 1 - Структурная схема исследований

СВЧ установка (рис. 2) содержит перфорированные резонаторные камеры 4 в рабочей емкости 1 (в экранном корпусе), с наружной стороны которой прикреплены генераторные блоки 2 так, что излучатели направлены в соответствующие резонаторные камеры. Центробежный насос 7, соединенный с трубопроводом 6, служит для перекачивания продукта. Производительность установки зависит от количества генераторных блоков с резонаторными камерами и их мощности. Предварительное снижение вязкости масло-сырья происходит на поверхности резонаторной камеры за счет воздействия краевого эффекта ЭМП СВЧ, возникающего на перфорации. Это позволяет увеличить скорость истечения частично расплавленного сырья через перфорацию в резонаторную камеру, где происходит его термообработка за счет токов поляризации. Благодаря центробежному насосу, жидкая продукция многократно перекачивается через рабочую емкость. Для ограничения попадания крупных частиц сырья и примесей в насос на нижнем основании емкости предусмотрен фильтр 16.

Рабочая емкость, выполненная из неферромагнитного материала, предназначенная для приемки масло-сырья и содержащая перфорированные резонаторные камеры, обеспечивает общую экранизацию потока электромагнитных излучений. Причем, конфигурация цилиндра с прямоугольным сечением наиболее удобна для монтажа основных узлов, а размеры боковых сторон обеспечивают монтаж двух резона-торных камер на одной горизонтальной плоскости так, что между их основаниями имеется расстояние не менее четверти длины волны. Высота емкости согласована с количеством рядов резонаторных камер, влияющих на производительность установки, при этом расстояние между рядами составляет также не менее четверти длины волны, для ограничения краевого потока ЭМИ одного генератора на другой.

Рисунок 2 - Схематическое изображение СВЧ установки для термообработки масло-сырья: 1 - рабочая емкость, 2 - СВЧ генераторы, 3 - источник СВЧ энергии - магнетрон, 4 - цилиндрические перфорированные резонаторные камеры, 5 - диэлектрическая пластина-крышка резонатора с резьбой, 6 - трубопровод для перекачивания продукта в емкость, 7 - центробежный насос, 8 - трубопровод для выкачивания продукта с рабочей емкости, 9 - вентиль для слива топленого масла, 10 - топленое масло (смесь с осадком), 11 - частично расплавленное сливочное масло, 12 - перфорация резонаторной камеры, 13 - сливочное масло - исходное сырье, 14 - крышка рабочей емкости, 15 - термопара, 16 - фильтр; 17 - цифровой измеритель температуры E5CN, 18 - счетчик электроэнергии, 19 - тепловизор FL1R В365, 20 - анализатор Milko Scan Minor 6 (определение содержания жира, белка, COMO, сухих веществ)

Резонаторные камеры обеспечивают поточность процесса термообработки масло-сырья за счет перфорации, причем размеры перфорации и ее плотность на поверхности камеры согласованы с краевым потоком мощности электромагнитных излучений. При этом силовые линии электрического поля замыкаются через сырье, находящееся на наружной поверхности камеры, что и обеспечивает его предварительный нагрев, следовательно, уменьшение вязкости (за счет циркуляции теплой

воды и действия краевого потока излучений). Сырье стекает внутрь перфорированной камеры по мере уменьшения вязкости и за счет работы центробежного насоса.

Центробежный насос, позволяющий циркулировать сырье определенной вязкости через перфорированные резонаторные камеры, осуществляет гомогенизацию смеси (жидких и нерасплавленных частиц сливочного масла), уменьшая вязкость, что снижает энергетические затраты на термообработку за счет эндогенного нагрева. Количество циркуляций через резонаторные камеры согласовано с продолжительностью воздействия (160... 180 с), удельной мощностью СВЧ генератора (2... 4 Вт/г) и объемом загрузки смеси масло-сырья с водой. При производительности СВЧ установки 30 кг/ч количество циркуляций составляет в пределах 27...30.

Технологический процесс производства топленого масла методом отстоя, который используют на малых предприятиях, осуществляется в следующей последовательности. В рабочую емкость перед загрузкой масло-сырья наливают горячую воду (50...60°С) в количестве 15% от массы перетапливаемого сырья. Затем загружают масло-сырье и проводят термообработку смеси в процессе перекачивания через перфорированные резонаторные камеры. Температуру расплава масло-сырья в зависимости от его качества доводят до 70...100°С. Далее смесь сливают из емкости в фильтрационную тару. После осветления жировой расплав охлаждают до температуры 35...40°С и фасуют. Хранят топленое масло при температуре 3...5°С. Выход топленого масла с 1 кг сливочного масла жирностью 72,5% составляет 700.. .720 мл.

С учетом изменения теплоемкости и плотности сырья в процессе диэлектрического нагрева, уравнение, описывающее динамику нагрева сливочного масла жирностью 72,5%, будет выглядеть следующим образом: _ 3,567 • (- 0,01112 Т + 0,952) ■ Т°'7244 Руь'17

где г — продолжительность воздействия, с; Т - температура масло-сырья, °С; Руд -удельная мощность генератора, Вт/г; г/ - КПД генератора.

На рис. 3 приведен теоретический график динамики нагрева сырья, на основе которого обоснована продолжительность и скорость эндогенного нагрева сливочного масла определенной жирности при разных удельных мощностях СВЧ генератора.

Рисунок 3 - Динамика нагрева сливочного масла жирностью 72,5% в ЭМП СВЧ при разных удельных мощностях: 1-1,5 Вт/г; 2-4 Вт/г; 3-8 Вт/г; 4-16 Вт/г

- °Г

' 5

(1)

Вт/г ~ Вт/г =

Ф 8

4 Вт/г — 1,5 Вт/г ~

-1-1-1-

При плотности сливочного масла, равной 0,946...0,985 г/см3 и эффективной удельной мощности 2...4 Вт/г, превышение температуры нагрева сырья на

Продолжительность, с

70...80°С достигается при продолжительности воздействия 160...180 с.

На основе исследования зависимости напряженности электрического поля от объема резонаторной камеры выявлен ее эффективный объем, равный 1...2 л, обеспечивающий соответствующую напряженность электрического поля 2...1 кВ/см, позволяющую снизить бактериальную обсемененность в продукте до предельно-допустимого уровня (1000 КОЕ/г).

При использовании генераторных блоков микроволной печи в перфорированной резонаторной камере, добротностью 6000, обеспечивается напряженность электрического поля всего 0,2...0,6 кВ/см, но за счет многократного циклического воздействия ЭМП СВЧ в процессе перекачивания масло-сырья через резонаторные камеры происходит достаточное превышение температуры в микроорганизмах, позволяющее затормозить их развитие.

Ниже приведена методика согласования конструкционных параметров и режимов работы СВЧ установки, разработанная на основе известных формул с учетом перфорации цилиндрической резонаторной камеры и изменений диэлектрических параметров сливочного масла в процессе термообработки.

Обоснование параметров СВЧ блока с перфорированными резонаторными камерами. Пользуясь методикой В.И. Федяновича (//Радиотехника и электроника, Т37, вып. 7, 1992 г.) анализируем поле волн, распространяющихся вдоль перфораций резонаторной камеры (рис 4).

2

3

/о\ъ а о j/a о а о с sac if'-?

Р с; vovck: CVU ':Q: fc/ о е я о/:«;;^;; о

- L „ ........... - -

•г

soooooocooaqo": Ш О 1Ш V - С ;

ШшЖшЖШШШЖШ:-~' "

'«ООО ООО <? <? о о о <i i

> О <К/ О <г С О СОЙЙО # ООО ОС ооооосоо r>....f}...r;...o...n...fi...n ..п. д...п...о .n..n..r>

Рисунок 4 - Перфорированная резонаторная камера: а) объемная модель; б) реальное исполнение камер разной емкости, 1 — излучатель ; 2 - перфорированная поверхность; 3 - перфорация

Для перфорированной плоскости с использованием временной зависимости ехр (/ cot) выразим параметры поля через индуктивности L и емкости С перфораций:

Е, ■ i-со ■ С, = я; - Н- + Ио ~(Hn/Ln), (2)

ds

■ i-w-L, (н; -н;) + е0 ^-((Е; -е;)/с ), as

(3)

где индекс (+) относится к поверхности резонатора п = -0, а индекс (-) - к поверхности п = +0; г, 5', п — направления, ? - координата в поперечной плоскости резонаторной камеры, 5 — вдоль плоскости, п - по нормали к плоскости; ро - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; еа - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; Е, Н - значения напряженности электрической и магнитной составляющей поля. Максимумы напряженности электрического поля и поперечной составляющей магнитного поля в проектируемой перфорированной резонаторной камере смещены на четверть длины волны (рис. 5<Э). Индекс при емкости С указывает на направление электрического поля вблизи поверхности камеры в месте локализации, а индекс при индуктивности Ь — направление магнитного поля. Из решения равенств (2), (3) находим:

Ь„=л-ц0 /[2Т ■ 1п(1/со8(ц'/2))\ С, = (2е0 /л)/Т■ ¡пО/соя^'/2)), Ц= ц0 -Т- 1п(1/соз(р'/2))/2л, С-„ = 2л■ е0/Т■ 1п(1/соэ(р'/2)), ^

где Т - период чередования перфораций, д' = л -д /Т, ц - ширина между перфорациями на поверхности резонатора; р' = л ■ р /Т, р- диаметр перфорации, С, /Т - погонная емкость, Ь„-Т~ погонная индуктивность.

Считаем, что Я5. = 0 и что поле распространяется вдоль перфораций (по э). Обозначим напряжение на перфорации и = Е,- Т и ток на ее кромках I = - В„ / Ь„ , (5) где В„ = Цо Н„ - магнитная индукция.

Из уравнений Максвелла находим <Ю/сЬ = /'•со-В„-Т. (6)

Приходим к равенствам: / • со ■ (С, /Т) -II + ¿И/сЬ = 0, / • со -(Ьп -Т) ■ I + (Ш/(Ь = 0.

Определим емкости при разных схемах заполнения перфорированной резона-торной камеры (рис. 5):

а) СпМ = С„-(1-У+У/е), б) С„м = Сп-(1 - (1 -1/ е) ■ У/2) / (1- (1 - 1/е) V), в) С1(у)=СгО-У-е-Ю, г) С,(У) = С,- (1 - V- (е —1)/2, (7)

где V- коэффициент заполнения перфораций диэлектриком (продуктом).

6 г

Рисунок 5 - Частичное заполнение перфораций сливочным маслом (диэлектриком): а - граница диэлектрика совпадает с эквипотенциальной поверхностью электрического поля у поверхности резонаторной камеры; б - сливочное масло на одной стороне поверхности резонатора; в - граница диэлектрика совпадает с электрической силовой линией поля у перфорации; г - диэлектрик на одной стороне перфорации; д - электрическое и магнитное поля волны типа Ноч в цилиндрической перфорированной резонаторной камере [Г.Б. Белоцерковский]

При полном заполнении перфораций продуктом (рис. 5а, 5в) емкости увеличиваются в £ раз. Зная емкость перфорированной резонаторной камеры определяем потери мощности в продукте по известной формуле Р = {/-2 7гС-/£- 5, (8) где ígS = 0,0939- 70,0894 - тангенс угла диэлектрических потерь сливочного масла;

е = 3,5331-Т0,0645 - диэлектрическая проницаемость продукта, изменяющаяся в процессе термообработки, при частоте 2450 МГц.

Выражения индуктивности и емкости перфорированной резонаторной камеры по нормали к плоскости напряженности электрической и магнитной составляющей поля, также по поперечной плоскости резонаторной камеры, позволяют вычислить добротность и потери мощности потока ЭМИ через перфорацию камеры (рис 6). Известно, что добротность резонаторной камеры выражается по формуле:

Q2 = co0-W0/P, (9)

где cü0 — частота собственных колебаний резонаторного контура, 1/с; W0 - энергия,

Рисунок 6 - Поверхность перфорированной резонаторной камеры, расположенной внутри масло-сырья (а) и под сливочным маслом (б): 1 - сливочное масло, 2 - перфорированная плоскость, 3 - растопленное масло, г - толщина продукта

В проектируемом объемном резонаторе тепловые потери достаточно высокие из-за его перфорации, нарушающей экранизацию потока мощности ЭМИ. Но преимущество перфорированной резонаторной камеры в том, что потери потока излучений через перфорацию эффективно используются сырьем, находящимся на поверхности камеры, т.е. за счет краевого эффекта потока ЭМИ масло-сырье предварительно нагревается, тем самым КПД СВЧ генератора сохраняется. Снижение мощности потока излучения через перфорацию можно осуществить, если ее радиус в 10... 15 раз меньше рабочей длины волны. При длине волны 12,24 см допустимый радиус перфорации составляет 0,8... 1,2 см. Разработанные нами резонаторные камеры имеют радиус перфорации 0,25 см и 0,35 см, то есть в среднем в 4 раза меньше.

Б третьей главе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены частные методики исследований и характеристики использованной измерительной аппаратуры; машинно-аппаратная схема производства топленого масла при воздействии ЭМП СВЧ; описания разработанной и изготовленной СВЧ установки.

Источниками СВЧ энергии служили генераторы Rolsen MS 1770 MD, MW20Mfl, работающие на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1,2 кВт. Перекачивание сырья через рабочую емкость осуществляли с помощью центробежного насоса НБЦ-0,55, мощностью 550 Вт, а учет объема перекачиваемой жидкости - с помощью счетчика СГВ-15 «БеТАР». Контроль мощности привода насоса осуществляли с помощью цифрового измерителя мощности D2436AB, а частоту вращения - с помощью фототахометра ДТ - 2234А. Измерение массы сырья в процессе исследований проводили с помощью электронных весов EN-405, а температуры в сырье и продукте - с помощью цифрового контролера E5CN, где для фиксации значения температуры использовали термопару. С помощью анализатора Milko Scan Minor 6 определяли содержание жира, белка, COMO, сухих веществ в топленом масле. Плотность сырья измеряли с помощью ареометра AMT 1015-1040 по ГОСТ 3625-2004, вязкость - с помощью вискозиметра группы II по ГОСТ 29226.

Контроль биологически опасных электромагнитных излучений (напряженность и плотность потока энергии) СВЧ установки осуществляли с помощью измерителя электромагнитных излучений ПЗ-ЗЗ (до 40000 МГц) в испытательной лаборатории

ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашии». Оценку пищевой ценности топленого масла проводили в ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике». Микробиологические показатели топленого масла оценивали по ГОСТ Р 53430-2009.

Техническая новизна конструктивного исполнения СВЧ установки состоит в том, что она содержит экранный корпус 2, внутри которого расположены цилинд-12 3 рические перфорированные резонаторные камеры 3.

Они вворачиваются в соответствующие диэлектрические пластины, жестко закрепленные к внутренней поверхности корпуса в тех областях, где имеются излучатели от СВЧ генераторов (рис. 7).

Рисунок 7 - Пространственное изображение СВЧ установки для термообработки масла-сырья: 1 - электронные блоки СВЧ генераторов, 2 - экранный корпус, 3 - цилиндрические перфорированные резонаторные камеры, 4 - трубопровод, 5 - насос для перекачивания сырья

Электронные блоки 1 установлены с внешней стороны экранного корпуса, содержащего загрузочную крышку, причем между нижним и верхним основанием корпуса установлен трубопровод 4, соединенный с циркуляционным насосом 5 для перекачивания сырья.

В четвертой главе «Результаты исследования технологического процесса термообработки сливочного масла» приведены: результаты исследования динамики эндогенного нагрева сливочного масла; оценка качества топленого масла по орга-нолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям; оптимизация энергетических затрат на термообработку сливочного масла и режимов работы СВЧ установки.

Рисунок 8 - Динамика нагрева сливочного масла жирностью 72,5 % при разных удельных мощностях СВЧ генератора: 1) 1,5 Вт/г; 2) 4 Вт/г; 3) 8 Вт/г; 4) 16 Вт/г.

Экспериментальные исследования динамики эндогенного нагрева сливочного масла при разной удельной мощности СВЧ генератора показывают, что превышение температуры на 65...85°С в продукте достигается при дозе воздействия 0,18...0,2 кВт ч/кг (рис. 8). Эмпирические выражения зависимости температуры нагрева сливочного масла

Продолжительность, с

жирностью 72,5 % от продолжительности воздействия ЭМП СВЧ при разных удельных мощностях:

Т = 19,85Ьп(т) + 4,52, (1,5 Вт/г), Т = 32,15Ьп(т) + 1,58, (4 Вт/г), Т = 40,52Ьп(т) + 3,89, (8 Вт/г); Т = 50,92Ьп(т) + 10,04, (16 Вт/г). (9) На рис. 9 приведена динамика эндогенного нагрева поверхности сливочного масла в стационарном режиме.

___________110 о..

Рисунок 9 — Динамика нагрева сливочного масла, исследованная с помощью тепловизора РЫК В365: 1 - максимальная температура на поверхности продукта; 2 - минимальная; 3 -отклонение температуры

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Продолжительность, с

Неравномерность распределения теплового потока по поверхности сливочного

Тпах= 21,69 г0'678, Г„„„= 16,84 г0'611,

масла описывается выражениями

Tmm 5,77 е

(10)

Экспериментальные значения динамики нагрева сливочного масла (рис. 8, 9, 10) с достаточной доверительной вероятностью коррелируются с теоретическими данными (рис. 3), с учетом неравномерности нагрева по объему продукта 7...8 °С.

Показания тепловизора

_

с

Рисунок 10 - Распределение теплового потока по поверхности продукта в процессе термообработки с СВЧ энергоподводом при удельной мощности 4 Вт/г и продолжительности воздействия 160 с: а) сливочное масло жирностью 72,5 % без воздействия; б) воздействие ЭМП СВЧ в стационарном режиме; в) воздействие ЭМП СВЧ в многократном циклическом режиме

Исследования температурных полей, проведенные с помощью тепловизора РЫК В365, показывают, что многократное воздействие ЭМП СВЧ позволяет снизить неравномерность эндогенного нагрева до 7°С (рис. 10в), по сравнению с воздействием в стационарном режиме, где отклонение температуры по поверхности продукта достигает 25...40°С (рис. 106). Следовательно, неравномерность нагрева продукта снижается в 5 раз. С увеличением продолжи-

тельности воздействия ЭМП СВЧ до 160 с в стационарном режиме неравномерность нагрева по поверхности и объему продукта увеличивается до 30°С.

Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхности отклика и их двумерные сечения в изолиниях моделей превышения температуры масла и энергетических затрат на термообработку (рис.11), в зависимости от удельной мощности и продолжительности воздействия в СВЧ установке, при плотности масла, равной 946 кг/м .

Эмпирические выражения, описывающие модели энергетических затрат и превышения температуры масла, следующие: W = 0,000002+ р^ ■ т, Вт с/г, (11) Д Т = - 11,786 - 2,434- руд - 0,92- г + 0,564- р2уд + 0,002-^ + 0,009- руд, (12) где ДГ- превышение температуры сливочного масла, °С, г - продолжительность воздействия, с; Руд - удельная мощность, Вт/г.

Рисунок 11 - Двумерные сечения в изолиниях трех-факторной модели энергетических затрат на термообработку сливочного масла в зависимости от удельной мощности и продолжительности воздействия в СВЧ масло-_____________ плавителе

J 8 9 ШЭ above

Удмьни ыоЕНоеть. Вг'г

"Ii

i-rSiS! Ш ^ЯШ * к

В испытательной лаборатории ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашии» проводили контроль мощности потока излучений на расстоянии 1,5...2 м от СВЧ установки с 4 генераторами, она составляет 0,427...0,571 мВт/см2, что подтверждено протоколом № Ф-099-Д-2012. Причем снижение мощности потока происходит обратно пропорционально квадрату расстояния, а допустимый уровень составляет 1 мВт/см . Исследование распределения краевого потока мощности излучения СВЧ энергии на расстоянии четверти длины волны от перфорированных резонаторных камер, находящихся в экранном корпусе (рис. 12), показывает, что мощность колеблется в пределах 25...30 мВт/см2. Это позволяет провести предварительный нагрев сливочного масла, находящегося на поверхности резонаторных камер, что способствует его стека-нию через перфорацию.

В ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике» проведена оценка пищевой ценности топленого масла опытного и контрольного образцов (протокол испытаний №1115 от

Рисунок 12 - СВЧ установка

26.07.2012 г.). При этом термообработку сливочного масла проводили в СВЧ установке при удельной мощности 2...4 Вт/г — опытный образец, а контрольным образцом служило сливочное масло, обработанное традиционным способом. Испытано 3 образца в 4-х кратной повторности: 1 - масло сливочное жирностью 72,5%, 2 — контрольный образец, 3 - опытный образец. Оценку качества продукции проводили на основе органолептических, физико-химических и микробиологических показателей.

Органолептические показатели топленого масла оценивали по 17 - балльной шкале (без упаковки) в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52971-2008. Из результатов исследований вытекает, что органолептические показатели опытного образца лучше контрольного (табл. 1).

Таблица 1 - Органолептические показатели топленого масла

Показатели № образца Результаты исследований Баллы Максимально возможные баллы

Цвет 2 желтый 2 2

3 желтый 2

Вкус и запах 2 привкус вытопленного молочного жира без посторонних привкусов и запахов 7 10

3 выраженный привкус вытопленного молочного жира без посторонних привкусов и запахов 10

Консистенция 2 мягкая комковая в расплавленном виде прозрачная без осадка 3 5

3 плотная гомогенная в расплавленном виде прозрачная без осадка 5

Исследование физико-механических параметров топленого масла показало, что за счет снижения массовой доли влаги в опытном образце с 27,5% до 16,7% массовая доля жира составляет 81%, при этом кислотность на 3°К меньше, чем в контрольном образце и равна 5,6°К (градус Кеттсторфера для масла сливочного и его жировой фазы, ГОСТ 3624-92).

Исследование микробиологических параметров сливочного масла с бактериальной обсемененностью 50000 КОЕ/г показало, что при термообработке до 80...90°С в ЭМП СВЧ общее микробное число (ОМЧ) снизилось до 600...400 КОЕ/г (рис. 13,14).

Рисунок 13 - Зависимость снижения бактериальной обсеме-ненности от превышения температуры эндогенного нагрева сливочного масла, достигаемого при определенной дозе воздействия

Превышение температуры в масле, °С

® 55000

® 45000 Л 36000 % 25000 § 16000 3 50ОО

во юо 120 лло

1вО

ИИ 454.645 Щ] 5309.09

I..........^ 16818,2

□ 22272.7

□ 27727,27 I I ¿¿181,8 в 38836.35 Г~1 44080.8

Ш11 аЬо^'е

Рисунок 14 - Поверхность отклика трехфакторной модели общего микробного числа в зависимости от удельной мощности и продолжительности термообработки сливочного масла плотностью 946 кг/м3

На рис. 14 представлена поверхность отклика трехфакторной модели ОМЧ в зависимости от удельной мощности СВЧ генератора и продолжительности термообработки сливочного масла плотностью 946 кг/м3.

Эмпирическое выражение, описывающее зависимость снижения бактериальной обсемененности сливочного масла от дозы воздействия ЭМПСВЧ: ОМЧ= 1,169е5 - 30010,67-^- 311,172 г+ 1688,01- Руд 2 - 0,993-т2 + 72,5- Руд -т, КОЕ/г или ОМЧ = 1254,2 ■ В/8 -18948 • VВ/8 + 70773, КОЕ/г, (13)

где Руд - удельная мощность СВЧ генератора, Вт/г; т - продолжительность воздействия, с; О - доза воздействия ЭМП СВЧ, Вт-с/г.

Такие изменения свидетельствуют о возможности увеличения продолжительности хранения топленого масла с 30 до 40 суток при температуре хранения 3...5°С.

Технические характеристики СВЧ установки для термообработки сливочного масла приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Технические характеристики СВЧ установки

Количество СВЧ генераторов 1 2 4

Производительность, кг/ч 7,5 15 30

Масса единовременной загрузки сырья, кг 0,5 1 2

Потребляемая мощность СВЧ генератора, Вт 1200 2400 4800

Потребляемая мощность СВЧ установки, Вт 1750 2950 5350

Удельные энергетические затраты, кВт-ч/кг 0,233 0,196 0,178

Габариты, мм 800 х 1000 х 1000

В пятой главе «Экономическая оценка результатов исследований» представлено технико-экономическое обоснование результатов исследований. Экономический эффект от применения СВЧ установки производительностью 30 кг/ч составляет 119387 руб./год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика термообработки сливочного масла многократным циклическим воздействием электромагнитного излучения для получения топленого

масла, реализованная в СВЧ установке с перфорированными цилиндрическими ре-зонаторными камерами, расположенными в экранном корпусе, и центробежным насосом.

2. Согласованы добротность (6000) и объем перфорированной резонаторной камеры (1...2 л), обеспечивающие эффективную величину напряженности электрического поля (2... 1 кВ/см) в масло-сырье при термообработке до 90... 100°С для снижения бактериальной обсемененности в продукте с 50000 КОЕ/г до 600 КОЕ/г, что ниже предельно-допустимого уровня (1000 КОЕ/г).

3. Установлено, что эффективными режимами термообработки масло-сырья в СВЧ установке производительностью 25...30 кг/ч являются: удельная мощность 2...4 Вт/г, продолжительность воздействия 160...180 с, скорость нагрева 0,5... 0,6 °С/с, количество циркуляций масло-сырья через перфорированные резонаторные камеры 27...30. Результаты оценки органолептических показателей топленого масла опытного и контрольного образцов по 17-ти балльной шкале свидетельствуют, что консистенция и внешний вид опытного образца на 2 балла выше контрольного, вкус и запах - на 3 балла, расхождение по цвету не наблюдалось. Выявлено, что центробежный насос производительностью 0,5...1 л/с позволяет циркулировать сырье вязкостью менее 17 Па с через резонаторные камеры за счет перфорации, размеры (радиус перфорации 0,25...0,35 см) и плотность которых согласованы с краевым потоком мощности электромагнитных излучений, а также гомогенизировать сырье, снижая неравномерность эндогенного нагрева в 5 раз.

4. Установлено, что корпус СВЧ установки, выполненный из неферромагнитного материала толщиной 2..3 мм, предназначенный для приемки масло-сырья, при содержании четырех перфорированных резонаторных камер, обеспечивает экранизацию потока мощности электромагнитных излучений до 0,427...0,571 мВт/см2 на расстоянии 1,5...2 м. В результате производственных испытаний СВЧ установки выявлено снижение удельных энергетических затрат на термообработку сливочного масла - с 0,24 до 0,18 кВт-ч/кг, улучшение качества топленого масла и увеличение срока хранения его в потребительской таре из полимерного материала с 30 до 40 суток при температуре не выше 3...5°С. Экономический эффект от применения СВЧ установки производительностью 30 кг/ч составляет 119387 руб./ год.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

- публикации в изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Александрова, Г. А. Повышение эффективности производства сливочного масла / Г. А. Александрова, О. В. Михайлова // Теоретический и научно-практический журнал «Механизация и электрификация сельского хозяйства», №12, 2011. -С. 23...24.

2. Александрова, Г. А. Экономическая эффективность применения СВЧ масло-плавителя в фермерских хозяйствах / Г. А. Александрова // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». — Чебоксары: ЧГПУ, 2012, № 2 (74). - С. 9... 11.

3. Александрова, Г. А. СВЧ маслоплавитель / Г. А. Александрова, О. В. Михайлова // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». - Чебоксары: ЧГПУ, 2012, № 2 (74). - С. 12... 14.

- публикации в сборниках научных трудов и материалов конференций:

4. Александрова, Г. А. Электронанотехнологии в переработке сельскохозяйственной продукции / Г. А. Александрова, Г. В. Новикова // Материалы XII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства», посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА. - Чебоксары: ЧГСХА 2011

- С. 249...250.

5. Александрова, Г. А. Сверхвысокочастотный маслоплавитель / Г. А. Александрова, Г. В. Новикова // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству», посвященная 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - часть 2 - С. 6...9.

6. Александрова, Г. А. Технология выработки топленого масла / Г. А. Александрова, Г. В. Новикова // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства», посвященной 50-летию инженерного факультета ФГБОУ ВПО ЧГСХА - Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - С. 12...15.

7. Александрова, Г. А. Выработка топленого масла / Г. А. Александрова, О. В. Михайлова // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Казанского государственного аграрного университета «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства». - Казань: Издательство Казанского ГАУ, 2012. - С. 33.. .36

8. Александрова, Г. А. Сверхвысокочастотный маслоплавитель / Г. А. Александрова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Выпуск 14. - Йошкар-Ола: Марийский ГУ 2012

- С. 133...135.

9. Александрова, Г. А. СВЧ маслоплавитель / Г. А. Александрова, О. В. Михайлова, Г. В. Новикова // Монография. - Чебоксары: ЧГСХА, 2012. - 150 с.

10. Александрова, Г. А. СВЧ маслоплавитель /Г.А. Александрова, О. В. Михайлова // Материалы VIII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации». - Чебоксары ЧГСХА 2012.-С. 191...193.

Подписан в печать 25.09.2012 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 Полиграфический отдел, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29. Лицензия ПЛД № 27-36.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ ресурсов и требования к качеству топленого масла

1.2. Физико-механические свойства сливочного и топленого масла

1.3. Анализ способов и оборудования, предназначенного для выработки топленого масла

1.4. Выводы по главе. Цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ МАСЛО-СЫРЬЯ

2.1. Схема процесса термообработки сливочного масла

2.2. Элементы теории взаимодействия отдельных рабочих узлов с сырьем

2.3. Распределение электрического поля в перфорированной резона-торной камере

2.4. Теоретические исследования динамики нагрева продукта

2.5. Согласование добротности объемного резонатора с напряженностью электрического поля

2.6. Методика согласования конструктивно-технологических параметров узлов СВЧ установки для термообработки сливочного масла

2.8. Выводы по главе

3. МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа экспериментальных исследований

3.2. Частные методики исследований и измерительная аппаратура

3.3. Машинно-аппаратная схема производства топленого масла

3.4. Разработанная СВЧ установка для термообработки сливочного 81 масла

3.5. Выводы по главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ МАСЛО-СЫРЬЯ

4.1. Результаты экспериментальных исследований динамики эндогенного нагрева сливочного масла

4.2. Определение эффективных технологических параметров СВЧ установки для термообработки сливочного масла

4.3. Согласование продолжительности термообработки сливочного масла со скоростью перекачивания сырья через резонаторные камеры

4.4. Оценка качества сливочного и топленого масла

4.5. Микробиологические исследования сырья и продукта

4.6. Исследование мощности потока СВЧ энергии установки

4.7. Выводы по главе

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВНИЙ

5.1. Технико-экономическая оценка применения СВЧ установки для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйств

5.2. Требования по технике безопасности при работе с СВЧ установкой для термообработки сливочного масла 138 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 139 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 141 ПРИЛОЖЕНИЯ 150 Приложение А. Акты (справки) об использовании (внедрении) результатов научно-исследовательской работы в учебном процессе 151 Приложение Б. Акты испытаний научно-исследовательской работы в производственных условиях 154 Приложение В. Протокол измерений электромагнитных излучений около СВЧ установки для термообработки сливочного масла 157 Приложение Г. Протокол экспертной оценки качества топленого масла 159 Приложение Д. Документы о регистрации заявки на изобретения 161 Приложение Е. Расчетные коэффициенты для построения поверхностей отклика и двумерных сечений моделей 165 Приложение Ж. Глубина проникновения ЭМП СВЧ 167 Приложение 3. Дипломы

Актуальность. В настоящее время производство сливочного масла в РФ осуществляют 700 предприятий. Среднегодовая мощность крупных и малых предприятий в 2009 г. составила 644,4 тыс. тонн, использование производственных мощностей - 27,2%. Собственного производства сливочного масла недостаточно для покрытия внутреннего спроса, поэтому Россия вынуждена импортировать данную продукцию в больших объемах.

Отраслевая целевая программа «Развитие маслоделия России на 2011.2013 годы» (приказ Минсельхоза РФ от 12 октября 2010 г. №349) предусматривает: увеличение объема производства сливочного масла; сокращение импорта; обеспечение к 2013 году прироста объемов производства сливочного масла на 14,0% к уровню 2009 г.

Для достижения данной программы на региональном уровне необходимо: осуществить техническую модернизацию цехов по производству сливочного масла; обеспечить вовлечение в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, получаемых при производстве сливочного масла; снизить энергопотребление за счет внедрения современных технологий переработки, повышающих пищевую и биологическую ценность продуктов, в том числе топленого масла.

Объем производства сливочного масла в 2009 году в мире достиг - 6,02 млн. т., в РФ - 231 тыс. т., а в Чувашской Республике (ЧР) - 14,5 тыс. т. (6,3 % от общероссийского объема производства). Темпы роста производства топленого масла за последние годы резко снизились, в РФ объем производства составил 11,5 тыс.т., а в ЧР - 0,73 тыс.т.

В результате реализации программы будет обеспечено к 2013 году увеличение использования среднегодовой производственной мощности предприятий по производству сливочного и топленого масла с 27,2% до 41,2%, за счет проведения модернизации на инновационной основе. Поэтому разработка энергосберегающей технологии выработки топленого масла, в том числе с использованием энергии электромагнитных излучений СВЧ диапазона, актуальна.

Причем СВЧ термообработка сливочного масла обладает рядом преимуществ: обеспечивает стерильность процесса и безинерционность регулирования нагревом, равномерность нагрева по всей массе продукта и его избирательность в случае неравенства диэлектрических параметров отдельных частей, бесконтактный подвод энергии, высокая концентрация СВЧ энергии в малых объемах, регулируемость скорости нагрева за счет напряженности и частоты ЭМП [29, 68, 69, 70, 96].

Для удешевления СВЧ источника предлагается использовать бытовые микроволновые печи с частотой 2450 МГц и потребляемой мощностью 1,2 кВт, у которых магнетрон является генератором с самовозбуждением. Препятствием к его применению может стать невозможность получения требуемого срока службы 250 тыс. часов.

Стратегией научно-технического прогресса АПК России на период до 2015 г. основные научные исследования по электрификации и автоматизации животноводства сосредотачиваются на повышении технико-экономической эффективности при производстве, переработке и хранении высококачественной продукции. Огромные перспективы использования электронанотехнологий открываются в области переработки сельскохозяйственного сырья, получении высококачественной продукции заданного качества при минимуме ресурсо-энергетических затратах. Например, установлено 3 вида действия ЭМП СВЧ: диэлектрический нагрев, изменение проводимости мембран клеток электрической напряженностью и проявление резонансных информационных взаимодействий внешнего ЭМП с биополем объекта [132].

Целью настоящей работы является разработка и обоснование режимов работы установки для термообработки сливочного масла с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, позволяющей улучшить качество топленого масла при сниженных энергетических затратах.

Основные научные задачи: - разработать методику термообработки сливочного масла многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере;

- обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установки на основе системно-комплексного решения задачи повышения качества продукции и исследований процесса термообработки сливочного масла, физико-химических, микробиологических изменений, происходящих в продукции;

- получить регрессионные зависимости, связывающие энергетические затраты на термообработку сырья с СВЧ энергоподводом и снижение бактериальной обсемененности продукта с ключевыми факторами, влияющими на технологический процесс;

- разработать и испытать в производственных условиях СВЧ установку для термообработки сливочного масла, оценить технико-экономическую эффективность его применения в фермерских хозяйствах

Объекты исследования: технологическое оборудование и процесс термообработки сливочного масла в перфорированной резонаторной камере с СВЧ энергоподводом; продукция.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса термообработки масло-сырья многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с разработанными частными методиками, базируются на разработке эффективных технологических процессов и установки для термообработки масло-сырья. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- математические выражения, позволяющие обосновать параметры электромагнитного поля СВЧ диапазона, обеспечивающие процесс термообработки масло-сырья в перфорированной резонаторной камере при многократном циклическом воздействии ЭМИ;

- закономерности влияния режимных параметров СВЧ установки на динамику эндогенного нагрева масло-сырья и на качество продукта;

- разработанная СВЧ установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде цилиндрических перфорированных резонаторных камер, расположенных в экранном корпусе, обеспечивающая термообработку масло-сырья в процессе многократной циркуляции через резонаторные камеры с помощью центробежного насоса (заявка на изобретение № 2011128533/10 от 08.07.2011 г., положительное решение от 04.07.2012 г.);

- рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров, обеспечивающие термообработку сливочного масла в ЭМПСВЧ при сниженных энергетических затратах с улучшением качества топленого масла, оцененного по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям.

Практическую значимость представляет изготовленная и испытанная в производственных условиях СВЧ установка для термообработки масло-сырья, позволяющая улучшить качество продукции при сниженных энергетических затратах.

Реализация результатов исследований. Разработка СВЧ установки для термообработки масло-сырья проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА, в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био-нанотехнологии». Исследование процесса термообработки сливочного масла в электромагнитном поле сверхвысокой частоты осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, производственное испытание СВЧ установки - в ООО «Вурнары Завод СОМ». Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (г. Уфа, ФГОУ ВПО БГАУ, 29.04.2011 г.); на XIII межрегиональной конференции-фестивале научного творчества учащейся молодежи «Юность Большой Волги» (г. Чебоксары, 14.05.2011 г.); на VII и VIII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (г.Чебоксары, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 30.03.2011 г. и 4.04.2012 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (г. Казань, ФГБОУ ВПО КГАУ, 25.04.2012 г.); на республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, 08.06.2012 г.).

Установка демонстрировалась на: республиканском конкурсе проектов среди молодежи «Эффективные пути развития АПК в Чувашской Республике» (Чебоксары, 2010 г.); XVIII выставке «Регионы - сотрудничество без границ» (Чебоксары, 23.26.06.2011 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационных исследований удостоены следующих наград:

- дипломы за активное участие: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2011 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012 г.); на XIV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2012 г.); на VII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», 2012 г.);

- благодарственное письмо за активное участие и плодотворную работу на XVIII выставке «Регионы - сотрудничество без границ», за подписью директора казенного унитарного предприятия ЧР «Агро-инновации» Васильева Н.И. (г. Чебоксары, 28.06.2011 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 10 научных работах, в том числе 3 из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК РФ и в монографии «СВЧ маслоплавитель», объемом 9,5 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 175 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, приложений. В диссертационной работе содержится 80 рисунков и 26 таблиц.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика термообработки сливочного масла многократным циклическим воздействием электромагнитного излучения для получения топленого масла, реализованная в СВЧ установке с перфорированными цилиндрическими резонаторными камерами, расположенными в экранном корпусе, и центробежным насосом.

2. Согласованы добротность (6000) и объем перфорированной резонатор-ной камеры (1.2 л), обеспечивающие эффективную величину напряженности электрического поля (2.1 кВ/см) в масло-сырье при термообработке до 90.100°С для снижения бактериальной обсемененности в продукте с 50000 КОЕ/г до 600 КОЕ/г, что ниже предельно-допустимого уровня (1000 КОЕ/г).

3. Установлено, что эффективными режимами термообработки масло-сырья в СВЧ установке производительностью 25.30 кг/ч являются: удельная мощность 2.4 Вт/г, продолжительность воздействия 160. 180 с, скорость нагрева 0,5.0,6 °С/с, количество циркуляций масло-сырья через перфорированные резонаторные камеры 27.30. Результаты оценки органолептическш показателей топленого масла опытного и контрольного образцов по 17-ти балльной шкале свидетельствуют, что консистенция и внешний вид опытного образца на 2 балла выше контрольного, вкус и запах - на 3 балла, расхождение по цвету не наблюдалось. Выявлено, что центробежный насос производительностью 0,51 л/с позволяет циркулировать сырье вязкостью менее 17 Па-с через резонаторные камеры за счет перфорации, размеры (радиус перфорации 0,25.0,35 см) и плотность которых согласованы с краевым потоком мощности электромагнитных излучений, а также гомогенизировать сырье, снижая неравномерность эндогенного нагрева в 5 раз.

4. Установлено, что корпус СВЧ установки, выполненный из неферромагнитного материала толщиной 2.3 мм, предназначенный для приемки масло-сырья, при содержании четырех перфорированных резонаторных камер, обеспечивает экранизацию потока мощности электромагнитных излучений до 0,427.0,571 мВт/см на расстоянии 1,5.2 м. В результате производственных испытаний СВЧ установки выявлено снижение удельных энергетических затрат на термообработку сливочного масла - с 0,24 до 0,18 кВт-ч/кг, улучшение качества топленого масла и увеличение срока хранения его в потребительской таре из полимерного материала с 30 до 40 суток при температуре не выше 3.5°С. Экономический эффект от применения СВЧ установки производительностью 30 кг/ч составляет 119387 руб./ год.

1. Азаров, Б.М. Технологическое оборудование пищевых производств / Б.М. Азаров и др. Под ред. Б.М. Азарова. М.: Агропромиздат, 1988. -463 с.

2. Акаева, Т.К., Основы химии и технологии получения и переработки жиров. 4.1. Технология получения растительных масел: Учеб. пособие / Т.К. Акаева, С.Н. Петрова. Иваново, 2007. - 124 с.

3. Агропромышленный комплекс Чувашии. 2009: Статистический сборник. Чебоксары: Чувашстат, 2009. - 136 с.

4. Алабовский, А.Н. Техническая термодинамика и теплопередача / А.Н. Алабовский, И.А. Недужий. Киев: Высшая школа, 1990. - 255 с.

5. Алекушин, А.Э. Как выбрать оборудование для производства масла / Алекушин, В.М. Кузнецов // Пищевая промышленность. 2005. - № 8. -С. 62.63.

6. Алёшичев, С.Е. Аппаратурно-технологический анализ процесса производства сливочного масла применительно к задачам стабилизации влажности / С.Е. Алёшичев // Деп. в ВИНИТИ. «Проблемы техники и технологии пищевых производств. СПбГУНиПТ 2005. - С. 156. 159.

7. Алёшичев, С.Е. Влажностные характеристики сливочного масла / Е. Алёшичев, В.А. Балюбаш, В.А. Добряков // Тез. докл. XI Российской конф. по теплофизическим свойствам веществ. 2005. - С. 131.

8. Алёшичев, С.Е. / Фактор температуры сбивания сливок в структуре стабилизации влажности сливочного масла / Е. Алёшичев, В.А. Балюбаш, И.Б. Лаврищев // Известия СПбГУНиПТ. Межвузовский сборник научных трудов / Гл. ред. A.B. Бараненко. -2006. С. 118. 119.

9. Александрова, Г.А. Повышение эффективности производства сливочного масла / Г.А. Александрова, О.В. Михайлова // Теоретический и научно-практический журнал «Механизация и Электрификация сельского хозяйства», №12, 2011.-С. 23.24.

10. Александрова, Г.А. Сверхвысокочастотный маслоизготовитель / Г.А. Александрова, О.В. Михайлова // Материалы XIII межрегиональной конференции-фестиваля научного творчества учащейся молодежи «Юность Большой Волги». Чебоксары, 2011. - С. 19. .21.13,14