ВведениеНа агропредприятиях в цехах по переработке продукции животноводства осуществляют убой животных и птиц, а из продуктов убоя производят продукты питания, в том числе из жиросодержащего сырья (мышечного, внутреннего жира КРС, овец, свиней, кур и т.п.) вытапливают жир. Термообработку жиросодержащего сырья применяют для вытопки жира. Для извлечения жира из жиросодержащего сырья используют конвективный и кондуктивный методы подвода теплоты. Конвективный нагрев происходит при контакте сырья с острым паром, при кондуктивном – теплота подводится через стенку от глухого пара. Чтобы извлечь жир из жиросодержащей ткани, необходимо разрушить белковую структуру, содержащую жир, перевести его из внутриклеточной фазы во внеклеточную, свободную фазу и затем удалить во внешнюю среду [1, 2, 3]. Применяют: автоклавы, вакуумные котлы (периодического действия); шнековые, барабанные, роторные аппараты (непрерывного действия). Имеются комбинированные аппараты, совмещающие термообработку и измельчение сырья. В аппаратах периодического действия процесс термообработки сырья составляет 4-4,5 часа, следовательно, ухудшается качество жира и шквары. При обработке жиросодержащего сырья превышение температуры 120-130 оС нежелательно, так как ухудшается качество конечной продукции. Наиболее эффективный способ интенсификации теплообмена – это использование энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) для воздействия на измельченное сырье. Известно, что при измельчении увеличивается поверхность теплообмена. Допустимые размеры измельченных частиц определяются технологическими требованиями к процессу (2,5-3 см), и согласовываются с глубиной проникновения волны. Измельчение сырья необходимо провести до подачи в рабочую камеру. Существуют СВЧ установки для вытопки жира, разного конструкционного исполнения с цилиндрическими, сферическими и другими резонаторами периодического и непрерывного режима работы. Все они содержат экранирующий корпус, тем не менее мощность потока излучений достигает до 250-300 мкВт/см2, а предельно допустимый уровень (ПДУ) всего 10 мкВт/см2 [4,5,6]. Аналогом является СВЧ установка с квазистационарным тороидальным резонатором для вытопки обеззараженного жира из измельченного жиросодержащего сырья в непрерывном режиме [7]. Недостатками являются: сложность дозирования подачи сырья и выгрузки шквары; отсутствие возможности регулировки скорости нагрева сырья при отделении жира от шквары.Прототипом является СВЧ установка с передвижными полусферическими резонаторами, расположенными на венце внутри цилиндрического экранирующего корпуса [8]. Недостатками являются: достаточно высокие энергетические затраты − 0,2-0,25 кВт∙ч/кг; наличие экранирующего корпуса, влияющего на увеличение балансовой стоимости установки, а следовательно, эксплуатационные затраты; низкий термический КПД установки; напряженность электрического поля в сферическом резонаторе можно регулировать только изменением мощности генератора [9].Поэтому разработка радиогерметичной СВЧ установки непрерывно-поточного действия для термообработки и обеззараживания жиросодержащего сырья при низких эксплуатационных затратах и высоком термическом коэффициенте полезного действия с регулируемой напряженностью электрического поля в процессе вытопки жира остается актуальной.Целью работы является разработка СВЧ установки непрерывно-поточного действия с магнетронами воздушного охлаждения и резонатором в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей, способствующей повышению термического КПД и сохранению высокой напряженности электрического поля и радиогерметичности без экранирующего корпуса при вытопке обеззараженного жира из жиросодержащего сырья.Объемные неферромагнитные резонаторы с фокусирующими металлическими зеркалами нашли применение в технике измерения диэлектрических параметров материалов, поверхностного сопротивления проводников и других электрических величин [10,11,12].  Материалы и методыВ исследованиях использованы методы электродинамики сверхвысокой частоты, приближенные методы определения собственной добротности металлодиэлектрического резонатора. Экспериментальные методы исследования основаны на измерениях характеристик резонатора с использованием прибора ПЗ-33М. Перспективным диэлектриком для металлодиэлектрического высокодобротного резонатора сантиметрового диапазона являются монокристаллический кварц, сапфир и керамика, так как их резонансная частота менее зависима от температуры.  Результаты и обсуждениеВ резонаторе одновременно обрабатывается разное жиросодержащее сырье, при существенном отличии его диэлектрических характеристик, теплоемкости, глубины проникновения электромагнитного поля в сырье и в скорости нагрева. Поэтому необходимо учитывать фактор потерь и глубину проникновения волны в отдельные компоненты сырья, а также их зависимость от температуры, ведь с изменением температуры изменяется и глубина проникновения, а также удельная мощность источников тепла.По данным И.А Рогова [13] проанализированы диэлектрические параметры жировой ткани крупного рогатого скота, овец и кур в зависимости от частоты электромагнитного поля, при температуре 20 оС (рис. 1). Сравнение диэлектрических параметров соответствующих видов животных показывает, что изменения связаны с влажностью их жировой ткани и их плотностью. Влажность ткани: КРС 14,2 %, овец – 11,6 %, кур – 8,6 %; плотность сырья КРС 900 кг/м3; овец – 890 кг/м3; кур – 870 кг/м3 [14, 15, 16]. а)   б)  Рисунок 1 − Диэлектрические характеристики жировой ткани КРС, овец, кур в зависимости от частоты ЭМП: а) диэлектрическая проницаемость; б) фактор диэлектрических потерь Эмпирические выражения, описывающие изменения диэлектрической проницаемости (ε), фактора диэлектрических потерь (k) жировой ткани разных видов животных от частоты ЭМП (f, МГц):ε = 6,74∙e-1E-04∙f (КРС), ε = 5,92∙e-1E-04∙f (овец), ε = 5,72∙e-1E-04∙f (кур).                                                                    (1)k = 1,0∙e-3E-04∙f   (КРС), k = 0,86∙e-3E-04∙f  (овец), k = 0,69∙e-3E-04∙f (кур).                                                                      (2)Графики, характеризующие изменение диэлектрических характеристик жировой ткани КРС в зависимости от жирности при температуре 20 оС, приведены на рис. 2.  Рисунок 2 − Диэлектрические характеристики жировой ткани КРС в зависимости от жирностипри температуре 20 оС Изменение диэлектрических характеристик сырья при различной его жирности объясняется снижением влажности, изменением плотности сырья. Диэлектрическая проницаемость и фактор диэлектрических потерь с увеличением жирности сырья изменяются по экспоненциальной зависимости (3) [17, 18].Эмпирическое выражение, описывающее изменения диэлектрической проницаемости (ε) и фактора диэлектрических потерь (k) от жирности (Ж):        ε = 68,74∙e-0,041∙Ж, k = 34,81∙e-0,065∙Ж.                                             (3)  Рисунок 3 − Диэлектрические характеристики жировой ткани КРС  в зависимости от жирностипри температуре 20 оС Эмпирическое выражение, описывающее изменения диэлектрической проницаемости (ε) и фактора диэлектрических потерь (k) от плотности сырья (ρ, кг/м3): ε = 5E-11∙e0,0286∙ρ, k = 1E-16∙e0,041∙ρ..                                               (4)Для достижения равномерного нагрева жиросодержащего сырья необходимо согласовать шаг винта шнека с глубиной проникновения волны в сырье. Глубину проникновения волны в сырье определяем по формуле [19]:                                                                                                                                           (5)где c – скорость распространения света в вакууме; ω = 2π∙f – частота ЭМП.В процессе воздействия ЭМПСВЧ вытопленный жир отделяется от сырья и при этом жирность сырьевой ткани уменьшается, следовательно, диэлектрические параметры увеличиваются (рис. 2) в соответствии с выражениями (3). Изменение тангенса угла диэлектрических потерь описывается выражением:tg δ = 34,81∙e-0,065∙Ж/68,74∙e-0,041∙Ж = 0,51∙e-0,024∙Ж                                                                                               (6)Глубина проникновения ЭМП в сырье:                                                                           (7)                                                                                                                                                  (8)При начальной жирности сырья 60 % глубина проникновения ЭМП составляет 6,3 см:                                                                                                                 (9)Эти значения достаточной доверительной вероятностью совпадают со значениями Рогова И.А [6].В процессе вытопки жира изменяется глубина проникновения волны в сырье, следовательно, при транспортировке сырья через резонатор диэлектрическим винтовым шнеком, шаг винта должен быть не более 6,3 см для достижения его равномерного нагрева. При теоретическом определении производительности шнека (8), в формуле следует предусмотреть начальный шаг винта равный глубине проникновения, далее его уменьшить в соответствии с изменением жирности по экспоненциальной зависимости (рис. 3).Тогда производительность шнека [20]: кг/ч,                                        (10)где D – наружный диаметр витка, м; d – диаметр вала, м; ∆ – глубина проникновения волны (учитывающий шаг между витками), м; ρ – объемная масса жиросодержащего сырья, кг/м3; Ψ – коэффициент заполнения шнека (0,4), n – частота вращения вала, мин.-1Если длина резонатора в виде усеченного конуса 61,2 см, диаметр первого витка 20 см, а последнего витка 5 см (среднее значение диаметра витка 12,5 см), диаметр фторопластового вала 3 см, то при начальной плотности жиросодержащего сырья, равной 870 кг/м3, можно приблизительно вычислить производительность шнека:  В среднем производительность шнека составляет 19-20 кг/ч, при частоте вращения электродвигателя 1 об/мин. Линейная скорость передвижения сырья 0,625 см/с, продолжительность нахождения сырья в резонаторе 100 − 120 с, тогда в резонаторе будет 0,5-0,6 кг жиросодержащего сырья. Вытопку жира проводят при температуре 110-120 оС, а значит, в резонаторе необходимо обеспечить удельную мощность генератора 4 Вт/г. Это возможно при работе трех генераторов по 800 Вт. (2400 Вт/600 г = 4 Вт/г).                Проведены экспериментальные исследования динамики эндогенного нагрева жиросодержащего сырья, с помощью тепловизора «FLIRi3», при мощности генератора 4 Вт/г (рис. 4).  Рисунок 4 – Динамика нагрева жиросодержащего сырья при удельной мощности генератора 5 Вт/г  Исследования показывают, что жиросодержащее сырье в процессе воздействия ЭМПСВЧ в течение 2 мин при удельной мощности 4 Вт/г растопится, при этом средняя температура сырья составит 100-120 оС. Уравнения, описывающие эти зависимости: Т = 11,02∙τ0,463 (куриный жир), Т = 16,11∙τ0,421 (свиной жир).Для определения количества теплоты, выделяемой в единице объема сырья, необходимо рассчитать удельные диэлектрические потери, они зависят от параметров электрического поля, а именно от частоты (f = 2450 ∙ 106 Гц) и напряженности (Е, В/см), а также от фактора диэлектрических потерь сырья (k) (формула 11). Удельную мощность можно определить также через необходимую скорость нагрева сырья (∆ Т/∆τ), зная термический КПД (η=0,76), его теплофизические параметры (формула 12) [21].          (11)                                                                                                     (12)Из уравнений 11 и 12 получим выражение, позволяющее согласовать скорость нагрева сырья с напряженностью электрического поля:                                                                                                             (13)При напряженности ЭП равной 2000 В/см и содержании жира 60% (k = 4), скорость нагрева составит 0,72 оС/с:                                                                                                    (14)                                                                   (15) Если начальная температура сырья 20 оС, приращение температуры на 90 оС достигается за 120 с, т.е. жиросодержащее сырье растопиться при температуре 115 оС. Удельная мощность генератора составит:                                                (16)В случае обеспечения напряженности электрического поля в резонаторе 2 кВ/см, при удельной мощности генератора 2,17 Вт/г, производительность установки составит 18 кг/ч.Известно, что удельные энергетические затраты не зависят от способа подвода энергии. Продолжительность достижения необходимых температур в массе сырья определяется характеристиками процесса: видом подвода энергии, интенсивностью переноса теплоты и массы, соотношением объема, площади поверхности и определяющего размера сырья и его физических свойств. Удельные энергетические затраты (Вт∙с/кг), необходимые для переработки жиросодержащего сырья складываются из затрат на нагрев, плавление жира, денатурацию белка, испарение влаги и окончательный нагрев [22]:                                                                              (17)где сн, ск  − теплоемкость сырья до и после плавления жира, Дж/кг∙оС; Тн, Тпл, Тк – температура сырья начальная, плавления жира, конечная, оС; bж – массовая доля жира в сырье, кг/кг; rж – скрытая теплота плавления жира, Дж/кг; а – энергия, идущая на денатурацию белка при изменении его температуры на 1 оС, Дж/кг∙оС; bв – массовая доля испарившейся воды, кг/кг; rв – скрытая теплота испарения воды, Дж/кг; а = (840-1260) Дж/кг∙оС для мясных белков; теплоемкость жира до плавления сн = 1300-3000 Дж/кг∙оС; теплоемкость жира после плавления  ск = 2600 Дж/кг∙оС; скрытая теплота плавления жира; rж = 121000-151000 Дж/кг; скрытая теплота испарения воды  rв  = (2480-2,27∙Тв)∙103 Дж/кг; Тв – температура испарения воды, оС.Для интенсификации процесса теплообмена можно измельчить жиросодержащее сырье при постоянной его массе. При диэлектрическом нагреве эффективнее использовать измельченное сырье, согласовывая размер частицы с глубиной проникновения сантиметровых волн.С учетом полученных теоретических расчетов разработана  СВЧ установка непрерывно-поточного действия с металлодиэлектрическим резонатором оригинальной конструкции, обеспечивающей высокую напряженность электрического поля и радиогерметичность без экранирующего корпуса. СВЧ установка для термообработки жиросодержащего сырья (рис. 5) выполнена в виде горизонтально расположенного усеченного конуса с экспоненциальной образующей из неферромагнитного материала (алюминия, меди и т.п.). Усеченный конус выполняет функцию объемного резонатора 2. На его большое основание 11 установлено вогнутое керамическое зеркало 10, диаметром равным диаметру основания. Внутри резонатора 2 размещен диэлектрический шнек 3 на диэлектрическом валу, соединенный с электроприводом 12. Шаг витка шнека уменьшается в сторону малого основания резонатора. Диаметр витка шнека уменьшается также как экспоненциальная образующая усеченного конуса 2. Сверху на боковой поверхности резонатора, около основания имеется окно с заслонкой 13. Над этим окном установлен верхний шлюзовой затвор 1 с электроприводом 14. К шлюзовому затвору 1 пристыкована загрузочная емкость 15. Отсеки шлюзовых затворов 1, 4 образованы между неферромагнитными согнутыми лопастями. Снизу на боковой поверхности резонатора, около малого основания резонатора имеется окно 5, к которому пристыкован нижний шлюзовой затвор 4 с электроприводом 6, а у большого основания  резонатора часть боковой поверхности перфорирована 8, под перфорацией установлена приемная емкость 9. Магнетроны  воздушного охлаждения  с волноводами 7 установлены со сдвигом на 120 градусов по периметру боковой поверхности резонатора так, что излучатели направлены через волноводы в резонатор 2. Диаметр большого основания резонаторов и его длины кратны половине длины волны (длина волны 12,24 см, частота электромагнитного поля 2450 МГц).    а)                                    Рисунок 5 − СВЧ установка непрерывно-поточного действия для термообработки жиросодержащего сырья: а), б) схематическое и пространственное изображения; в) диэлектрический шнек; г) керамическое зеркало;д) шлюзовой затвор;1− верхний шлюзовой затвор; 2 − резонатор  в виде усечённого конуса с экспоненциальной образующей; 3 − винтовой диэлектрический шнек; 4 − нижний неферромагнитный шлюзовой затвор; 5 − окно с заслонкой на резонаторе; 6 − электропривод шлюзового затвора 4; 7 − магнетроны с волноводами; 8 − перфорированная часть резонатора; 9 − неферромагнитная приемная емкость; 10 − вогнутое керамическое зеркало; 11 − большое основание  резонатора; 12 − электропривод шнека; 13 − окно с заслонкой на резонаторе; 14 − электропривод шлюзового затвора 1; 15 − загрузочная емкость б)                           Технологический процесс происходит следующим образом. Загрузить измельчённое жиросодержащее сырье в емкость 15 над шлюзовым затвором 1. Включить электропривод 5 шлюзового затвора 4, включить электропривод 12 винтового шнека 3, открыть заслонку 13, включить электропривод 14 шлюзового затвора 1. После того как измельченное жиросодержащее сырье через шлюзовой затвор 1 начнет дозированно поступать в резонатор 2 и перемещаться диэлектрическим шнеком 3, включить СВЧ генераторы 7.Шлюзовые затворы 1, 4 обеспечивают дозированную подачу сырья в резонатор 2 и выгрузку шквары из резонатора, соответственно. В ЭМПСВЧ жиросодержащее сырье является гетерогенной средой, а следовательно, при частоте 2450 МГц характерна дипольная поляризация. Энергия, затрачиваемая на поляризацию сырья, генерируется в виде тепла. Нагрев жиросодержащего сырья происходит достаточно интенсивно. Поэтому в сырье, нагретом выше 90 оС, возникает градиент давления, этому способствует диффузия скольжения в капиллярах, так как температура в центре частиц сырья больше, чем на его поверхности. Следовательно, плавленый жир отделяется от шквары, стекает по внутренней экспоненциальной боковой поверхности резонатора и через перфорацию 8 стекает в приемную емкость 8, а шквара передвигается витками шнека 3 до шлюзового затвора 4 и порционно выгружается в другую емкость. Качество готовой продукции (жира и шквары) зависит от совместного действия факторов: максимальной температуры, продолжительности воздействия ЭМПСВЧ, напряженности электрического поля. Наименьшая продолжительность обработки определяется продолжительностью плавления и напряженностью электрического поля, при которой происходит уничтожение патогенной микрофлоры при данной температуре процесса. Равномерность нагрева сырья обеспечивается также за счет того, что шаг витка шнека меньше, чем две глубины проникновения волны в сырье (3- 6 см). Вогнутое зеркало из керамики, в котором отражающая поверхность и центр кривизны падает на одну и ту же сторону зеркала, обладает оптической системой формирования падающих и отраженных волн. Использование керамического вогнутого зеркала 10, расположенного на большом основании 11 как часть резонатора 2 позволяет поддерживать свободные электромагнитные колебания разных видов, удовлетворяющие условиям границы раздела (сырье-воздух), т.е. условиям полного внутреннего отражения (малые радиационные потери) при диэлектрической проницаемости жиросодержащего сырья (4-5, жир КРС, свиней, овец, кур). Керамика обладает малыми тепловыми потерями, так как тангенс угла диэлектрических потерь всего 0,003, следовательно, собственная добротность резонатора выше, чем без керамического диска. При размерах диска значительно превышающих длину волны, собственная добротность резонатора может достичь до 10000. Концентрация энергии электромагнитного поля в объеме резонатора и уменьшение потерь на излучение достигается благодаря применению вогнутого керамического зеркала 10. Особенностью резонатора, содержащего керамический диск, является многомодовость, это значит, что равномерность нагрева сырья обеспечивается и отраженные от керамического зеркала волны полностью концентрируются в сырье. Радиогерметичность обеспечивается  за счет неферромагнитных дугообразных лопастей шлюзовых затворов 1, 4. Неферромагнитные дугообразные лопасти перекрывают электромагнитное излучение в процессе непрерывного режима работы установки, а через отверстия в перфорированной части 8 поверхности резонатора излучение ограничивается неферромагнитной приемной емкостью 9. Известно, что в коническом резонаторе вырождение типов колебаний Н011 и Е111 (паразитные типы колебаний) устраняется [23]. Конический резонатор с экспоненциальной образующей и вогнутое керамическое зеркало повышает концентрацию энергии электромагнитных волн в сырье, происходит полное поглощение энергии сырьем. Система генератор-резонатор идеально будет согласована с нагрузкой, так как волны отраженные от вогнутой поверхности керамического зеркала полностью концентрируются на сырье, если резонатор имеет криволинейную поверхность. Поэтому усеченный конический резонатор имеет экспоненциальную образующую, т. е. криволинейную поверхность. Взаимосвязь диаметра (D, см) и длины резонатора (Н, см) описывается уравнением тренда (рис. 6) D = 28,428∙e-0,025∙Н.                                                                                                   (18) Рисунок 6 – График, характеризующий экспоненциальную образующую резонатора Отношение энергии, запасенной в резонаторе и умноженное на 2∙π, к мощности потерь в нем, за один период колебаний, характеризуется добротностью резонатора [8]:                                                                                    (19)где ω рез – угловая резонансная частота, 1/с;  f рез – резонансная частота колебаний волн, Гц; W – энергия, накопленная (запасенная) в резонаторе, Вт∙ч;  Р потерь – мощность потерь в резонаторе, Вт.Собственную добротность резонатора в виде усеченного конуса с экспоненциальной образующей определяли через объем (V) и площадь поверхности (S) с учетом Δ – толщины поверхностного слоя из алюминия, 1,72∙10-3 см, по формуле:                                                                                                                         (20)                                          (21)где R, r – радиус большого и малого оснований, см; l − длина образующей, см; Н – длина резонатора, см. Площадь и объем резонатора следует определить учетом экспоненциальной образующей,                      D = 28,428∙e-0,025∙Н или через радиус основания: R = 14,214∙e-0,025∙Н. Тогда собственная добротность резонатора определяется по формуле 19:    (22)Расчеты показывают, что собственная добротность резонатора при размерах D = 24,48 см, d = 6,12 см, Н = 61,2 см находится в пределах 6000.Технические характеристики разрабатываемой СВЧ установки для термообработки жиросодержащего сырья  приведены в табл. 1. Таблица 1 – Технические характеристики СВЧ установкиНаименованиеЗначениеПроизводительность, кг/ч18-20Мощность 3 генераторов, кВт2,4Мощность мотора-редуктора, кВт0,15Мощность вентилятора для охлаждения магнетронов, кВт0,2Потребляемая мощность СВЧ установки, кВт2,75Удельные энергетические затраты, кВт·ч/кг0,14-0,15ЗаключениеРазработана СВЧ установка непрерывно-поточного действия с резонатором в виде усечённого конуса с экспоненциальной образующей из неферромагнитного материала и керамическим вогнутым зеркальным основанием, внутри которого расположен диэлектрический шнек с уменьшающимся шагом и диаметром витка.Экспоненциальная образующая резонатора и керамическое зеркало способствуют повышению концентрации напряженности электрического поля в нем до 2 кВ/см при размещении трех магнетронов со сдвигом на 120 градусов по периметру большого основания. При удельной мощности генератора 2 Вт/г производительность СВЧ установки для термообработки жиросодержащего сырья составляет 18-20 кг/ч.; при частоте вращения электропривода шнека 1 об/мин, за 120 с 0,5-0,6 кг сырья вытапливается. Удельные энергетические затраты по сравнению с прототипом (0,2-0,25 кВт·ч/кг) снижается до  0,14-0,15 кВт·ч/кг.