Пристрій для сушіння і обробки зерноподібних матеріалів електромагнітним полем при пониженому тиску

Реферат: Пристрій призначений для виконання процесу сушіння зерна або інших гранульованих сипучих продуктів за допомогою енергії електромагнітного поля у середовищі пониженого тиску і може знайти застосування у сільському господарстві, харчовій або фармацевтичній промисловості для сушіння сипучих продуктів. Опромінення електромагнітним полем продукту сушіння здійснюється лінійними випромінювачами, розташованими по колу навколо та в центрі робочої камери, яка має форму порожнистого циліндра, і у якій здійснюється опромінювання сипучого матеріалу. Використання пристрою дозволяє забезпечити високу рівномірність сушіння завдяки виконанню камери обробки у вигляді циліндра, а завдяки пониженому тиску запобігає перегріву продукту і зберігає його властивості. UA 110275 C2 (12) UA 110275 C2 UA 110275 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до сільського господарства і стосується техніки опромінення сипучих матеріалів електромагнітним полем у середовищі пониженого тиску і може бути застосована для сушіння сільськогосподарської сировини, зокрема зерна, за допомогою енергії електромагнітного поля надвисокої частоти (НВЧ), а також може бути застосована у харчовій, фармацевтичній галузях тощо. Відомий пристрій для комбінованого сушіння порошкових та зерноподібних матеріалів з використанням електромагнітного поля у середовищі пониженого тиску [Courneya С. High efficiency material drying. U.S. Pat. No. 4,330,946, F26B 3/34, 25.05.1982]. Він містить герметичну камеру обробки, у якій за допомогою вакуумного насоса створюється атмосфера пониженого тиску; всередині камери обробки створений багатоярусний транспортер, кожен ярус якого виконаний у формі жолоба, вздовж якого сипучий матеріал переміщується за допомогою спірального шнека; в кінці кожного ярусу виконано отвір, через який зерно пересипається на нижчий рівень під дією сили тяжіння. Вздовж над верхнім ярусом транспортера із зерном розміщені випромінювачі електромагнітних коливань. Останнє рішення хоч дозволяє сконцентрувати енергію у матеріалі, що підлягає сушінню, однак призводить до утворення послідовних зон максимумів і мінімумів інтенсивності поля вздовж конвеєра, сприяючи нерівномірному опроміненню сировини. Для завантажування і вивантажування сипучих продуктів у камеру обробки використовуються завантажувальний та відвантажувальний повітряні замки, які не допускають розгерметизації камери одночасно пропускаючи зерно. Проблемою, властивою для даного пристрою, є неоднорідність поглинутої енергії у різних шарах матеріалу, оскільки верхні шари, наближені до випромінювачів, нагріватимуться значно інтенсивніше, а нижні поглинатимуть меншу кількість енергії. До того ж, вісь спірального шнека виконана у вигляді труби, по якій пропускається тепле повітря, буде виступати збурювачем хвиль, розсіюючи їх і підвищуючи коефіцієнт відбивання енергії. Останній ефект в сукупності зі значним відбиванням енергії від межі повітря-зерно призведе до значного рівня відбитої хвилі, що повертатиметься назад до випромінювачів, що, по-перше, є небажаним для роботи НВЧ генераторів, а по-друге, призводитиме до зниження коефіцієнта корисної дії пристрою. Наявність шнека, що переміщує сипучий матеріал у горизонтальній площині, викликатиме інтенсивне тертя між окремими частинками, та між частинками матеріалу і шнеком, що може призводити до небажаного подрібнювання часток, особливо для крихких матеріалів. Найбільш близькою за технічною суттю і взятою за прототип є конструкція пристрою для сушіння сипучих матеріалів електромагнітним полем надвисоких частот [Сидорук Ю.К./ Пристрій для сушіння зерна та інших сипучих матеріалів електромагнітним полем надвисоких частот/ Україна. Патент на корисну модель № 65630, А01С 1/00; Н05В 6/64, Бюл. № 23, 2011 p.]. Конструкція складається із вертикальної робочої камери, у якій відбувається опромінення сипучого продукту, і яка має форму паралелепіпеда, а її стінки виконані із радіопрозорого матеріалу; опромінювання робочої камери здійснюється плоскими випромінюючими антенними решітками, розташованими з двох сторін паралельно до широких стінок камери. При цьому електромагнітні хвилі, що випромінюються протилежними випромінювачами мають ортогональну поляризацію для зниження взаємного впливу випромінювачів. Між зовнішньою стінкою камери обробки і суміжним випромінювачем розташовані поляризоване дзеркало, вісь поляризації якого узгоджена з поляризацією прилеглого випромінювача, і діелектрична узгоджувальна пластина, що забезпечує компенсування хвиль відбитих від робочої камери. Характерним недоліком такої конструкції є принципова складність забезпечення однакової щільності енергії по площині, паралельній до широких стінок камери обробки. Останнє пов'язано з необхідністю знижувати напруженість поля на краях камери для зменшення втрат енергії поля, частина якого не взаємодіє з матеріалом, а проходить повз камеру обробки. Сповільнюючим фактором, що обмежує продуктивність прототипу, є допустима гранична температура оброблюваного матеріалу, перевищення якої призводить до деградації його корисних властивостей, і для насіння рослин становить, залежно від його призначення, 5070 °C. Також проблему становить поляризоване дзеркало, яке підвищує технологічну складність пристрою і може вносити додаткові втрати енергії. Технічним результатом конструкції, що заявляється, є підвищення продуктивності процесу, забезпечення збереження властивостей продукту, підвищення рівномірності обробки сировини та зниження технологічної складності пристрою. Технічний результат досягається тим, що камеру обробки виконують у формі порожнистого циліндра, а випромінювачі розташовуються по колу навколо зовнішніх та внутрішніх стінок камери обробки; камера обробки виконується герметичною, і у ній створюється понижений тиск повітря, що сприяє збереженню корисних властивостей продукту оскільки сушіння може виконуватись при більш низьких температурах. Зниження технологічної складності 1 UA 110275 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечується відмовою від використання поляризованого дзеркала, натомість електромагнітна розв'язка випромінювачів забезпечується завдяки тому, що випромінювачі, розміщені навпроти у зовнішній та центральній областях камери обробки мають осі поляризації взаємно розвернуті на 90°. У заявленому пристрої порівняно із прототипом спільними характеристиками є їх призначення для сушіння зерноподібних матеріалів у безперервному режимі із застосуванням енергії електромагнітного випромінювання, камера обробки з радіопрозорими стінками, генератори НВЧ коливань та випромінювальні антенні решітки, бункери для завантаження та відвантажування оброблюваного матеріалу. Заявлена конструкція ілюструється кресленнями. На Фіг. 1 зображений варіант пропонованої конструкції, а переріз робочої камери, що відповідає конструкції, наведений на Фіг. 2. Основними складовими частинами пристрою є завантажувальний 1 та розвантажувальний 2 бункери, вхідний 3 та вихідний 4 повітряні замки, які запобігають проходженню повітря у робочу камеру, пропускаючи порції зерна, швидкість обертання яких визначає швидкість проходження зерна крізь нього, камера обробки 5, у якій здійснюється опромінення матеріалу, внутрішні 6 та зовнішні 7 випромінювальні елементи, додаткова циліндрична камера 8, вакуумний насос 9. Камера обробки 5 виконана герметичною і має циліндричну форму; в центрі співвісно їй розміщений додаткова циліндрична камера 8; зовнішні стінки 10 камери обробки та стінки 11 додаткової камери виконані з радіопрозорого матеріалу і забезпечують герметичність камери обробки. Розмір камери обробки визначається таким чином, щоб товщина шару матеріалу D у ній забезпечувала загасання електромагнітних хвиль на достатньому рівні, і потужність відбитої хвилі, що потрапляє назад у випромінювач, не становила критичного для генератора коливань значення. До камери обробки 5 у кількох точках, для підвищення рівномірності тиску, вакуумопроводом 12 під'єднаний вакуумний насос 9, перед яким встановлений конденсатор 13 для збору конденсованої рідини і пилу. По колу з внутрішньої додаткової камери 8 і навколо камери обробки 5 розташовані лінійні хвилевідні випромінювачі, представлені щілинними або вібраторними випромінювальними елементами 6, 7 на основі прямокутних хвилеводів 14, що орієнтовані вздовж осі камери і живляться генераторами НВЧ коливань 15. Елементи випромінювання орієнтовані таким чином, що площина поляризації випромінювачів 6 орієнтована горизонтально, а площина поляризації випромінювачів 7 - вертикально, внаслідок чого забезпечується електромагнітне розділення протилежно розташованих випромінювачів і зменшення їх взаємного впливу. Для забезпечення високої енергоефективності, зменшення коефіцієнта відбивання хвиль від середовища із оброблюваним матеріалом товщина стінок 10 та 11 встановлюється такою, щоб якомога більше скомпенсувати хвилі, відбиті від оброблюваного матеріалу, забезпечуючи узгодження хвилевих опорів повітря і зерна. Камера обробки врівень із широкою стінкою хвилеводів, розташованих навколо камери, оточена металевим екраном 16; аналогічний екран 17 виконаний навколо хвилеводів, що розміщені всередині додаткової камери, таким чином, це забезпечує гладку "земляну" поверхню перед випромінювачами, зменшуючи збурення і розсіювання хвиль, сприяючи випромінюванню НВЧ енергії у перпендикулярному відносно хвилеводів напрямі. Крім цього екран 16 забезпечує радіогерметичність пристрою. Додатково для підвищення ефективності сушіння сировини вихідний бункер 2 вакуумопроводом через вентиль 18 під'єднаний до вакуумного насоса, що може забезпечувати подальше сушіння нагрітого матеріалу у бункері. Працює пристрій наступним чином. Завантаження зерноподібного матеріалу, що підлягає опроміненню, здійснюється у бункер 1, звідки зерно може безперервно подаватися через повітряний замок 3 до об'єму робочої камери 5. Перед увімкненням пристрою робоча камера через повітряний замок 3 при вимкненому (закритому) замку 4 заповнюється зерном з бункера 1; після цього вмикається вакуумний насос, який при закритому вентилі 18 створює понижений тиск у робочій камері. Далі вмикаються генератори електромагнітних коливань і відбувається процес безперервної подачі зерна у камеру обробки і його опромінення. Вхідний та вихідний замки 3, 4 працюють синхронно так, що об'єм матеріалу, який надходить у камеру дорівнює об'єму матеріалу, що покидає її. Швидкістю обертання замків 3 і 4 регулюється швидкість просування матеріалу через камеру обробки, а отже і швидкість його обробки. Електромагнітні хвилі, випромінюючись випромінювачами 6 і 7, проходять крізь шар сипучого матеріалу у камері обробки, частково віддають йому свою енергію, а завдяки ортогональній поляризації розташованих з протилежної сторони випромінювачів хвилі з ними практично не взаємодіють, а відбиваються від стінки і повторно проходять крізь матеріал. Таким 2 UA 110275 C2 5 10 15 20 25 30 чином, електромагнітна хвиля двічі проходить крізь матеріал, що дозволяє досягти значного її затухання і досягнення високої енергоефективності. Зерно, просуваючись вздовж камери піддається дії електромагнітної енергії і нагрівається. Залежно від типу зерна і від завдання встановлюється необхідний рівень тиску у камері, величина потужності випромінювання і швидкість просування зерна. Досягаючи вихідного повітряного замка 4 оброблений продукт висипається у вихідний бункер 2, звідки відкриванням вентиля 19 зерно висипається і відправляється на подальший цикл оброблення чи на зберігання. У бункері 2 між періодичними відвантажуваннями матеріалу відкриттям повітряного вентиля 19 може створюватись понижений рівень тиску, що сприятиме подальшому висиханню нагрітого продукту. Завдяки зниженому тиску повітря у робочій камері знижується температура кипіння води, що знаходиться у вигляді вологи в зернах матеріалу. Таким чином, при тиску у камері рівному половині атмосферного вода закипає за температури 81 °C, при 0,1 атм. - при 45 °С, при 0,04 атм. - при 29 °C. При цьому, важливим корисним ефектом ще є й те, що сушіння при більш низькій температурі забезпечує зберігання корисних властивостей продукту, особливо при сушінні насіннєвого матеріалу. Знижена температура продукту також сприяє підвищенню пожежної безпеки процесу. Детальніше конструкція повітряного замка зображена на Фіг. 3. Його основу складає циліндрична камера 22 глухо закрита з обох торців. Усередині цієї камери в її осі розміщене колесо з лопатями 23, такими, що щільно дотикаються до поверхні камери 22, і обертаються навколо осі 24 колеса при наведенні зовнішнього крутного моменту. З протилежних сторін камери виконані два отвори, до яких приєднані трубопроводи 25. При будь-якому положенні лопатевого колеса, коли його вісь нерухома, верхній і нижній трубопроводи виявляються перекритими один від одного і потік газу і матеріалу неможливий - замок закритий. У робочому режимі крізь верхній трубопровід 25 надходить зерноподібний матеріал 26, який заповнює верхню частину об'єму. Коли необхідно відкрити потік зерна через замок колесо обертають, при цьому зерно, що міститься між верхніми лопатями, переноситься у нижню частину камери і висипається у нижній трубопровід, а об'єм між лопатями займає повітря з пониженим тиском 27 із нижньої труби. Таким чином, при обертанні колеса з верхнього трубопроводу до нижнього проходитиме зерно і об'єм повітря, який містився між зернинами у його об'ємі. Пропускну здатність такого повітряного ключа можна визначити з виразу: Vn 3 , м /с, 2 де  - кутова швидкість обертання вала колеса, рад/с, 3 V - об'єм сектора обмежений двома сусідніми лопатями 23 і камерою 22, м , n - кількість лопатей. P 35 40 Перелік фігур креслення Фіг. 1. Пристрій для сушіння і обробки зерноподібних матеріалів електромагнітним полем при пониженому тиску, вертикальний розріз. Фіг. 2. Пристрій для сушіння і обробки зерноподібних матеріалів електромагнітним полем при пониженому тиску, горизонтальний розріз. Фіг. 3. Повітряний замок. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Пристрій для сушіння і обробки зерноподібних сипучих матеріалів електромагнітним полем надвисоких частот, який має бункери для завантаження і вивантаження сипучих матеріалів, генератори НВЧ-енергії, вертикальну радіопрозору камеру обробки для опромінення сипучих матеріалів, з зовнішньої сторони якої в подовжньому напрямку розташовані лінійні хвилевідні випромінювачі, орієнтовані всередину камери обробки, який відрізняється тим, що камера обробки виконана у формі циліндра, всередині якого співвісно розташована додаткова циліндрична радіопрозора камера, а лінійні хвилевідні випромінювачі розміщені навколо зовнішньої сторони камери обробки, та додатково навколо внутрішньої стінки всередині додаткової камери, причому осі поляризації внутрішніх і зовнішніх випромінювачів взаємно ортогональні, камера обробки має герметичне виконання, поєднана вакуумопроводом з вакуумним насосом, та оснащена вхідним і вихідним повітряними замками, що з'єднують її відповідно з бункером завантаження і вивантаження сипучих матеріалів. 3 UA 110275 C2 4 UA 110275 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5