Введение. Замороженное молоко хранится до 12 мес. [1, 2], после этого его можно разморозить, нагреть до температуры 38…39 °С и выпаивать телят. Разработана СВЧ установка с кольцевым резонатором для размораживания и разогрева коровьего молозива в непрерывном режиме (патент № 2734618). К кольцевому резонатору пристыкованы магнетроны, приёмный резервуар для измельченного замороженного сырья и запредельный волновод с шаровым краном. Резонатор расположен вертикально и разделен диэлектрическими перфорированными пластинами на два отсека: для дефростации и разогрева молозива. Магнетроны размещены со сдвигом на 120° один по отношению к другому, по периметру кольцевого резонатора. Средняя длина кольца резонатора равна целому числу волн и разделена на равные промежутки между излучателями, каждый из которых по длине соответствует целому числу волн [3, 4, 5]. Различия в длительности процессов размораживания и разогрева молозива обусловлены тем, что изменение диэлектрических параметров в зависимости от агрегатного состояния и объема сырья не согласовано с глубиной проникновения волны. Для достижения высокой скорости нагрева сырья в области положительных температур необходимо предусмотреть условие нагрева тонкого слоя жидкости.
На основе анализа СВЧ-установок для дефростации и разогрева молозива животных разработана сверхвысокочастотная техника [6, 7, 8].
Цель исследований – разработка параметров сверхвысокочастотной установки, позволяющей размораживать молозиво животных в электромагнитном поле бегущей волны и равномерно разогревать его в поле стоячей волны.
Для ее достижения решали следующие задачи:
обосновать параметры запредельного волновода для подачи молозива, замороженного в пластиковых бутылках, в кольцевой резонатор и выгрузки пустых бутылок;
изготовить сверхвысокочастотную установку непрерывно-поточного действия, позволяющую размораживать и разогревать молозиво животных с учетом его агрегатного состояния и температуры фазового превращения в отдельных резонаторах;
исследовать изменение мощности потока излучения по высоте установки при расстоянии до точки замера 0,5 м, 1,0 м, 1,7 м и аналогичной высоте от пола.
Условия, материалы и методы. Результаты многочисленных исследований процесса дефростации и разогрева коровьего молозива свидетельствуют, что эти процессы должны осуществляться в двух отдельных резонаторах, обеспечивающих разные дозы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частот (ЭМП СВЧ). Один из них предназначен для дефростации от минус 15 °С до 0 °С, другой − для подогрева до 38…39 °С [9, 10]. Авторами разработаны и испытаны установки с разным конструкционным исполнением объемных резонаторов, позволяющих реализовать основные критерии проектирования СВЧ установки (непрерывность технологического процесса, высокая собственная добротность резонатора, высокая напряженность электрического поля и др.) [11, 12].
Созданная СВЧ установка (см. рисунок) содержит два ярусно расположенных резонатора. Первый из них имеет вид кольцевого резонатора с перфорированным основанием и диэлектрическими контейнерами, второй – конического резонатора с соосно расположенными диэлектрическими коническими тарелками. Магнетроны кольцевого резонатора размещены по его периметру на верхнем основании со сдвигом на 120° один относительно другого, конического резонатора – аналогичным образом по периметру его нижнего основания. Такое расположение магнетронов позволяет избежать передачи энергии из одного ввода в другой. А по принципу суперпозиции полей результирующая напряженности электрического поля, состоящего из нескольких исходных полей, равна векторной сумме их напряженностей [13].
Запредельный волновод для подачи замороженного сырья в пластиковых бутылках в кольцевой резонатор расположен на верхнем основании, для выгрузки пустых бутылок – прикреплен к его нижнему перфорированному основанию. Основание конического резонатора пристыковано к перфорированному основанию кольцевого резонатора, так, что жидкое молозиво стекает в него. Для достижения высокой скорости нагрева сырья в области положительных температур необходимо обеспечить условие нагрева тонкого слоя жидкости с помощью соосно расположенных конических диэлектрических тарелок. На вершине конического резонатора установлен шаровой кран для слива разогретого до 38…40 оС молозива. Рядом с шаровым краном расположена термопара для контроля температуры. Это возможно благодаря тому, что конические резонаторы ближе к вершине имеют критическое сечение, за которым ЭМП СВЧ отсутствует.
Для транспортирования замороженного сырья в кольцевом резонаторе установлены передвижные диэлектрические цилиндры с размерами пластиковых бутылок. Продолжительность воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (12,24 см, 2450 МГц) на сырье регулируется ступенчатым переключением частоты вращения вала мотора-редуктора МЭО-6,3/12,5-0,25 М 99У.14. При оценке распределения электрического поля за пределами установки использовали методики Г.Б. Белоцерковского, С.И. Баскакова, А.В. Нетушила, Ю.Н. Пчельникова, И.А. Рогова.
Уровень излучения в окружающее пространство контролировали прибором ПЗ-33М (до 18000 МГц, 615 В/м). Плотность потока энергии (мкВ/см2) около СВЧ установки измеряли на расстоянии от нее 0,5 м, 1,0 м, 1,7 м и на аналогичной высоте от пола.
Эффективность экранирования корпуса кольцевого резонатора определяли по методике А.В. Нетушила [14]:
(1)
где А = 18,8∙103 Ом/м3;
σ – удельная проводимость алюминия (36∙106 См/м);
∆ = 1,72∙10-5 м − толщина поверхностного слоя, м;
S – площадь поверхности кольцевого резонатора (1,4 м2);
d = 2∙10-3 м2.
Результаты и обсуждение. Технологический процесс дефростации и разогрева молозива животных в СВЧ установке происходит следующим образом. Включается электропривод для перемещения диэлектрических контейнеров в кольцевом резонаторе. Закрывается шаровой кран. Через запредельный волновод загружаются диэлектрические бутылки (вверх дном без крышек) с замороженным сырьем. Включаются магнетроны, излучатели которых направлены в кольцевой резонатор. В процессе перемещения диэлектрических контейнеров, загружаются очередные бутылки с замороженным сырьем. В кольцевом резонаторе возбуждается ЭМП бегущей волны, под действием которого замороженное сырье послойно размораживается в соответствии с глубиной проникновения электромагнитного поля и стекает через отверстия перфорации основания в конический резонатор. Затем включаются магнетроны, излучатели которых направлены в конический резонатор. Бутылки с сырьем перемещаются в кольцевом пространстве и опустошаются по мере дефростации замороженного сырья к концу полного оборота контейнеров, после чего выпадают за пределы кольцевого резонатора через отверстие в перфорированном основании.
Жидкое сырье накапливается в межтарельчатом пространстве конического резонатора, подвергается воздействию ЭМП СВЧ, разогревается до 38…40 оС и через шаровой кран дозированно сливается в приемный резервуар. В обоих резонаторах возбуждается электрическое поле высокой напряженности, достаточной для снижения бактериальной обсемененности продукта.
Уровень загрузки кольцевого резонатора зависит от диэлектрической проницаемости замороженного молозива, которая растет в процессе дефростации от минус 10 до 0 оС с 10 до 53. В коническом резонаторе в процессе разогрева от 0 до 40 оС, диэлектрическая проницаемость падает [13].
Результаты измерения мощности потока излучения около СВЧ установки при работе трех генераторов, расположенных на кольцевом резонаторе, в процессе дефростации коровьего молозива свидетельствуют о ее электромагнитной безопасности. При непрерывном круглосуточном воздействии ЭМП СВЧ предельно допустимый уровень (ПДУ) составляет 10 мкВт/см2 [15]. При 2 часовом воздействии ПДУ электромагнитного поля равен 100 мкВт/см2. Мощность потока СВЧ излучения на расстоянии 0,5…1,7 м от установки составляет 35,50…257,39 мкВт/см2. Поток излучения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. На расстоянии 1,7 м его уровень был ниже нормы.
Эффективность экранирующего корпуса кольцевого резонатора из алюминия, рассчитанная по формуле (1), достаточно высокая
( ) и составляет порядка 3,26 ∙104.
С целью предотвращения излучения через запредельный волновод был проведен расчет его диаметра и длины. Радиус запредельного волновода (R), в соответствии с диаметром пластиковых бутылок, равен 3…4 см. Погонное затухание на каждом сантиметре длины запредельного волновода Н11 с учетом ранее установленных величин [15] составит: L = 16/R = 16/(3…4) = (4…5,3) дБ/см [14]. При мощности СВЧ генератора 2,4 кВт, допустимая мощность вне запредельного волновода равна 2,4 мкВт, следовательно, на длине волновода l должно быть ослабление 2,4 кВт/2,4 мкВт = 106 раз. Исходя из этого длина запредельного волновода с учетом [15]: l = 60/L = 60/(4…5,33) = 11…15 см. В таком случае может быть обеспечен безопасный уровень излучения.
Если излучение электромагнитных волн идет из прямоугольного отверстия размерами 2a х 2b (при отсутствии запредельного волновода), то можно воспользоваться теоретическим подходом на основе формулы Кирхгофа, согласно которой решение скалярного уравнения в произвольной точке, находящейся внутри замкнутой поверхности S, выражается интегралом [16, 17]. Рассмотрим поле, существующее на расстоянии от кольцевого резонатора большем длины волны λ (12,24 см). Проанализируем относительно составляющей Еу вектора напряженности электрического поля в точке наблюдения Р:
(2)
где д/дz− производная по направлению внутренней нормали; r − длина отрезка между точкой наблюдения Р и переменной точкой интегрирования, м;
Проведем интегрирование по площади отверстия при условии, что Q – точка на отверстии с координатами x, y, z; Р – точка наблюдения с координатами ζ, η, ϛ. Тогда:
(3)
Обе производные, входящие в выражение, равны:
(4)
где Ео – напряженность электрического поля в кольцевом резонаторе,
ϑ – угол между нормалью к загрузочному отверстию и отрезком РQ.
(5)
Тогда
(6)
(7)
Из формулы (7) следует, что в точке наблюдения (Р) есть суперпозиция полей от бесконечно малых излучающих площадок. Если расстояние от центра загрузочного отверстия до точки наблюдения обозначим через ro, то:
(8)
где ϑ1 и ϑ2 − углы, образованные вектором ro и осями х и у соответственно.
Тогда:
(9)
Как видно из формулы (9), исследуемое электрическое поле представляет собой неоднородную сферическую волну с максимумом излучения вдоль оси системы. Угловые зависимости поля в обеих взаимно перпендикулярных плоскостях имеют лепестковую структуру. Они выражены тем сильнее, чем больше параметры прямоугольного загрузочного отверстия (βα и βb).
Это находит подтверждение при проведении расчетов по методике Г.Б. Белоцерковского [18]. Если считать, что пространство вокруг СВЧ установки – неограниченная однородная среда без потерь, а излучатель точечный и, следовательно, абсолютно ненаправленный (изотропный), то при мощности излучения Ризл. плотность потока мощности на расстоянии R от излучателя равна:
рплот. = Ризл. / 4π∙ R2. (10)
Тогда с учетом модуля вектора Умова-Пойнтинга рплотн. = Е2 /240 ∙π, напряженность электрического поля:
Е = (60 ∙Ризл. / R)0,5. (11)
В нашем случае Е = (60 ∙2400/ 1,7)0,5 = 290 В/м. Если напряженность электрического поля в кольцевом резонаторе достигает 600…1000 В/см, то на расстоянии R =1,7 м от резонатора она составит всего 2,9 В/см, или почти отсутствует.
Выводы. Для загрузки замороженного сырья в пластиковых бутылках, диаметром менее 8 см, необходимо установить на верхнем основании кольцевого резонатора запредельный волновод диаметром 8 см и длиной до 15 см. Это обеспечит безопасный уровень излучения менее 10 мкВт/см2 при круглосуточной работе с установкой. От кольцевого резонатора, мощностью 2400 Вт, через загрузочное прямоугольное отверстие, размером a x b распространяется электрическое поле в виде сферической волны. На расстоянии 1,7 м оно практически отсутствует.
