3 Выбор режимов при микроволновой обработке суши
3.1 Режимы СВЧ- и КВЧ-диапазонов
Согласно литературным данным, включая рекомендации при обработке ДМВ необходимо обеспечить нагрев суши на 1-3 °С. Это означает, что требуемые энергетические затраты составляют величину порядка 60 Дж/см3. При обработке ММВ затраты энергии существенно меньше и составляют при продолжительности обработки 20 минут величину порядка 6×10-3 Дж/см3 (т.е. примерно на 4 порядка меньше). Цель выбора наиболее эффективного режима состоит в снижении энергозатрат по сравнению с указанными значениями. Исследования, проведенные авторами, показывают наличие значительных резервов для экономии.
Обработка семян в СВЧ-диапазоне (ДМВ).
Установлено, что заметный эффект инактивации происходит при значительно меньших интенсивностях поля и продолжительности воздействия, по сравнению с рекомендованными значениями. Во-вторых, установлено, что при равной удельной поглощенной энергии заметную роль играет временной режим, в частности, наличие низкочастотной модуляции (с частотами не более 0,1 Гц).
Обработка семян в КВЧ-диапазоне (ММВ).
Согласно принятой концепции ЭМП ММВ оказывают воздействие на биологические объекты, влияя на их жизнедеятельность (предположительно информационный обмен) на клеточном уровне и осуществляя, таким образом, на этом уровне воздействие на регуляторные функции. Эффекты воздействия проявляются при определенных значениях частот, имеют резонансный характер и характеризуются пороговыми значениями интенсивности, при которых эффект начинает проявляться скачкообразным образом. Кроме того, количественно полезный эффект зависит от продолжительности воздействия, составляющего обычно десятки минут. Возможности снижения приведенных энергозатрат при обработке в КВЧ-диапазоне определяются выбором:
— частоты воздействия (с точки зрения приведенных энергозатрат желательно, чтобы при равных проявлениях полезного эффекта эта частота имела наименьшее значение);
— уточнением порогового уровня воздействия (оценкой его реального значения, а не заведомо завышенного) для данного сорта семян, класса и т.д.;
— уточнением минимально необходимого времени обработки, исходя из соотношения между достигаемым эффектом и энергозатратами;
— выбором типа, параметров модуляции и, возможно, поляризационных характеристик ЭМП.
Ввиду отсутствия в настоящее время конструктивного понимания сути инактивации микроорганизмов ЭМП, единственный путь для нахождения эффективного и экономичного режима состоит в весьма трудоемком эксперименте. Работы этого плана находятся в начале пути, делать окончательные выводы пока преждевременно. Однако полученные к настоящему времени результаты свидетельствуют о наличии значительных резервов для сокращения приведенных энергозатрат.
Длительность экспозиции. Увеличение времени обработки практически не влияет на эффект инактивации. Время обработки 30 минут также является завышенным и может быть сокращено без существенного ущерба.
Интенсивность ЭМП. Согласно предварительным данным пороговый уровень составляет 50 мкВт/см2 . В действительности этот уровень может иметь величину значительно меньшую 10 мкВт/см2.
Выбор типа и параметров модуляции. Согласно экспериментальным данным, в отличие от применения КВЧ- воздействий в медицине, существенного положительного эффекта от использования ЧМ-излучения не обнаружено. Более того, в ряде случаев эффект от воздействия ЧМ-излучения оказывался хуже по сравнению с непрерывным излучением. Это обстоятельство, конечно, не влияет на величину необходимых затрат электромагнитной энергии. Однако, приведенные энергозатраты при непрерывном излучении меньше.
Частота электромагнитных колебаний. Задача выбора наилучшего значения частоты (с учетом резонансного характера эффектов и наличия ряда резонансных частот) пока не изучена в достаточной степени. Достоверно установлено лишь существование полезных эффектов для двух полос частот, соответственно около 42,25 и 53,57 ГГц. Проведенное сравнение эффектов обработки на указанных частотах показало, что эффект инактивации имеет место для обеих частот, причем несколько лучше результаты соответствуют частоте колебаний 42,25 ГГц. Это обстоятельство имеет значение, как из-за величины достигаемого эффекта, так и вследствие того, что величина приведенных энергозатрат для обработки ЭМП диапазона 42 ГГц на 10-20% меньше по сравнению с полями диапазона 53 ГГц.
Обработка ЭМП сантиметрового диапазона волн (СМВ).
В большинстве проведенных исследований изучалось воздействие ЭМП либо ДМВ (915 или 2450 МГц), либо ММВ (42 или 53 ГГц). Данные для ДМВ и ММВ соответствуют интенсивностям и длительности обработки, описанным выше. При обработке ЭМП СМВ (f < 20 ГГц) длительность обработки по порядку величины также соответствовала случаю стимуляции КВЧ-диапазона, интенсивность поля была несколько выше, но такого же порядка. Приведенные данные являются предварительными и не позволяют пока давать обоснованные рекомендации. Однако, они представляют значительный интерес с точки зрения концепции минимума приведенных энергозатрат. Действительно, даже если допустить требующееся увеличение энергозатрат по сравнению с обработкой ММВ в 2…3 раза, стоимость обработки полями СМВ выглядит перспективной, т.к. стоимость 1 Дж энергии СМВ, как минимум в 4 раза меньше по сравнению со значением для частот порядка 40-50 ГГц.
Комбинированная многочастотная обработка.
Имеется (правда ограниченное) число исследований, в которых показана эффективность использования многочастотной обработки для целей инактивации. Совместное использование ЭМП СМВ и ДМВ исследовано в МАИ, полей ДМВ и ММВ – в НИЦ ПРЭ КГТУ им. А. Н. Туполева. Согласно данным этих работ совместная многочастотная обработка семян может привести к дополнительному улучшению посевных свойств.
Эти результаты, несмотря на их предварительный характер, также представляют определенный интерес с точки зрения снижения приведенных энергозатрат. Во-первых, поскольку наилучший из достигнутых результатов превосходит значение, полученное при раздельном воздействии, двухчастотная обработка семян может оказаться более эффективной с точки зрения соотно-шения между приведенными энергозатратами и качеством. Во-вторых, возможность достижения лучшего результата дает основание рассчитывать на то, что результат, аналогичный случаю одночастотной обработки, может быть достигнут при меньших суммарных приведенных энергозатратах.
3.2 Выводы по разделу
- Проведен выбор режимов обработки семян. Для СВЧ обработки необходимо излучение с 30-40% мощностью магнетрона на частоте 2450 МГц длительностью от 1 до 5 минут. Для КВЧ обработки с длиной волны 5,6 мм плотность мощности не должна превышать 10 мкВт/см2, а длительность 15 минут.
- Показано, что определенные преимущества позволяет получить комбинированная обработка семян в полях СВЧ и КВЧ диапазонов.
4 Моделирование установки для воздействия микроволновых полей на суши и роллы
4.1 Воздействие микроволнового излучения на суши
Классификация сред ЭМП характеризуется биотропными параметрами: частотой f , плотностью потока мощности Р, поляризацией П, модуляцией М, градиентом и экспозицией Dt.
Чтобы оценить влияние ЭМП на среду, необходимо знать электродинамические характеристики сред и законы их взаимодействия с ЭМП.
Первое уравнение Максвелла для гармонического поля:
, (4.1)
где и — комплексные амплитуды электрического и магнитного полей, соответственно; s — удельная проводимость среды, см/м; eа — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, , где , e — относительная диэлектрическая проницаемость, w — угловая частота, w = 2pf.
Преобразуем правую часть уравнения (4.1):
. (4.2)
Обозначим
, (4.3)
где — комплексная диэлектрическая проницаемость среды.
Реальная часть характеризует среду как диэлектрик, мнимая часть как — проводник. Поэтому от соотношения реальной и мнимой частей (4.3) среда будет иметь на разных частотах разные свойства: — идеальный диэлектрик; — среда с потерями; — проводник.
В нашем случае либо .
Тепловые и информационные электромагнитные поля. Обработку суши проводят воздействием на них «тепловым» или «нетепловым» (информационным) ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
Основу физической сущности нагрева среды ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапа-зонов составляет тот факт, что подвергаемая электромагнитному воздействию среда по своим свойствам является диэлектриком с достаточно большими потерями . Наличие потерь в среде приводит к появлению в ней токов проводимости, а значит и к ее нагреву. Таким образом, при взаимодействии среды с ЭМП СВЧ- и КВЧ-диапазонов появляются непрерывно распределенные по всему объему источники тепла (токи). Это приводит к внутреннему равномерному разогреву среды (в нашем случае семян). Микроволновый нагрев является экологически чистым технологическим процессом, который идет очень быстро и с высоким качеством.
Для повышения качества суши достаточно их нагреть на 1-3 0С. Чтобы определить время нагрева суши до заданной температуры, необходимо установить связь между начальной и конечной температурами и электрофизическими параметрами суши:
, (4.4)
где Dt — время нагрева, 0С; r — плотность суши, кг/м3; с — удельная теплоемкость, Дж/кг×град; m — масса суши, кг; ТК — конечная температура, К; ТН — начальная температура, К; w — угловая частота, рад; e — относительная диэлектрическая проницаемость суши; e0 — электрическая постоянная; tg d — тангенс диэлектрических потерь; Е — напряженность электромагнитного поля, В/м.
Формула (4.4) положена в основу составления программы дальнейших исследований в диапазоне F1 (дециметровый диапазон), поскольку источником электромагнитного поля в этом диапазоне является магнетрон, при работе которого выделяется большое количество тепла.
Таким образом, в диапазоне F1 мы получаем комплексное воздействие на обрабатываемые семена: тепловое и электромагнитное. Эффект воздействия такого ЭМП был проверен при лабораторных исследованиях качества суши.
Нетепловые (информационные поля) характеризуются тем, что биологи-ческий эффект действия электромагнитного поля не связан с непосредствен-ным воздействием энергии на поверхность обрабатываемых суши (нагрев менее 0,10С). Их воздействие, так называемые «информационные сигналы», заключается в управлении биологическими процессами, происходящими внутри суши.
Информационные поля в наибольшей степени проявляют свое действие в КВЧ (миллиметровом F2 и сантиметровом F3) диапазоне. Действие такого поля не зависит от его интенсивности, однако пороговое значение существует (1-10 мВт). Превышение порогового значения воздействия ЭМП ведет к изменению эффективности воздействия. Носителем информации является частота ЭМП.
Таким образом, можно разработать схему воздействия ЭМП на суши, а затем, на ее основе, строить методики обработки и проводить экспериментальные исследования с целью создания метода для обработки суши, позволяющей улучшить их безопасности. Следует отметить, что не исключена комбинированная обработка электромагнитным полем сверхвысокой частоты — параллельные ветви схемы могут перейти в последовательные.
При использовании теплового ЭМП для обработки суши необходимо рассчитывать время нагрева по формуле (4.4), для чего необходимо знать их комплексную диэлектрическую проницаемость . Для данного проекта достаточно измерить погонный коэффициент затухания a, а затем определить путем пересчета:
, (4.5)
где — реальная часть, — мнимая часть, l — длина волны образца, м; l0 — длина волны в свободном пространстве, м; d — длина вставки, м; r — фаза коэффициента затухания, радиан; a — модуль коэффициента затухания, дБ.
4.2 Структурные схемы одноволновых установок (предпродажная подготовка)
Общим требованием к предпродажной обработке суши в диапазонах F1 и F2 явилось обеспечение равномерности распределения поля в рабочей камере.
Диапазон F1. В диапазоне F1 обработка суши проводилась на установке, представляющей собой прямоугольную закрытую камеру (рис. 4.1), в которую помещались кюветы с суши. Источником ЭМП СВЧ диапазона является магнетрон (средняя частота генерации F1, выходная мощность Р1). Генерируемая мощность СВЧ поступала по волноводу в камеру. Камера представляет собой объемный резонатор, в котором происходит накопление и поглощение энергии ЭМП; излучение электромагнитной энергии через отверстия и щели в стенках.
Диапазон F2. На рис. 4.2 представлена структурная схема обработки суши в КВЧ-диапазоне. Для создания воздействия ЭМП КВЧ-диапазона использовались генераторы 1 фиксированной частоты F2. Плотность потока мощности в раскрыве рупорного облучателя 2 10мкВт/см2. КВЧ генераторы имеют специальный крепеж, позволяющий перемещать их как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Семена помещались в специальный поддон 3 из радиопоглощающего материала (для устранения отражений от подставки 4). Площадь зоны облучения регулировалась взаимным перемещением генераторов 1 и подставки 4.
Рис.4.1 – Блок — схема обработки суши в диапазоне F1:
1 — генератор СВЧ; 2 — волновод; 3 — соединительные фланцы;
4 — рупорный облучатель; 5 — поддон; 6 — регулируемая подставка;
7 — радиопоглощающая стенка
Рис.4.2 – Блок — схема обработки суши в диапазонах F2 и F3
1- генераторы диапазона F2, F3; 2- рупорный облучатель; 3- поддон;
4- регулируемая подставка; 5- радиопоглощающая стенка
4.3 Структурная схема двухволновой установки (предпроизводственная подготовка)
Для предпроизводственной обработки компонент суши может быть применена специализированная МТУ, реализующий оригинальный метод инактивации в СВЧ- и КВЧ-диапазонах. Упрощенная схема МТУ показана на рис. 4.3.
МТУ обеспечивает:
— облучение материалов для изготовления суши ЭМП различных диапазонов (в частности ДМВ и ММВ диапазоны) с регулировкой интенсивности облучения;
— временную дискретизацию воздействия микроволновой энергии в соответствии с программой обработки;
— высокую равномерность обработки материалов по всем параметрам (интенсивности, временной дискретизации спектра воздействия).
Рис. 4.3. – Упрощенная схема МТУ:
ГДМВ — генератор дециметрового диапазона; АКБТ — активаторная камера барабанного типа или вращающийся столдик; ГММВ — генератор миллиметрового диапазона; ОС — обрабатываемая среда; БУ — блок управления
Для реализации этих требований установка допускает подключение и одновременное использование нескольких генераторов, блоков управления, обеспечивает регулировку выходной мощности генераторов и программную дискретизацию в пределах Dtmin < Dt < Dtmax.
Для обеспечения равномерности обработки в неоднородном поле масса семян хаотично перемещается в рабочей камере, одновременно вращающейся в двух взаимно ортогональных плоскостях в пределах 4p стерадиан. Реализация такой обработки осуществлена в установке барабанного типа. Установка состоит из барабана емкостью 50 л, установленного горизонтально в подшипниках на двух полых неподвижных полуосях. СВЧ энергия вводится внутрь барабана через полуоси. Полезная загрузка барабана до 10 л.
Время обработки и производительность зависит от выбранной программы обработки. Для загрузки и разгрузки барабана на его боковой поверхности имеются люк с дроссельным затвором. На внутренней боковой поверхности барабана под углом к образующим установлены диэлектрические ребра, обеспечивающие при вращении барабана равномерное перемешивание материалов, если это требуется. Барабан приводится во вращение со скоростью n =10-30 об/мин электрическим приводом.
В более простом варианте вращение может быть осуществлено на вращающемся столике, направление вращения которого изменяется программно. Загрузка в этом случае достигает 3 л.
Использовано два различных источника (генератора): ДМВ диапазона — 2 450 МГц и ММВ диапазона 53,57 ГГц. Генератор ДМВ диапазона реализован на магнетроне М136. В качестве источника ММВ диапазона используется генератор серийной медицинской установки “Явь 5.6”.
Общий вид установки на 50 л показан на рис. 4.4 на 3 л на рис. 4.5. Подробная функциональная схема установки приведена на рис. 4.3.4.