ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА МОЛОКА ЭНЕРГИЕЙ СВЧ ПОЛЯ
Аннотация
Термообработка диэлектрических материалов и пищевых продуктов является одним
из важных направлений развития производства различной продукции. Использование энер-
гии электромагнитного поля сверхвысоких частот для сушки, нагрева, размораживания и
пастеризации пищевых продуктов является перспективным, поскольку такие технологии
подходят обработки различных диэлектрических материалов и при этом являются эф-
фективными и экологически чистыми. Несмотря на наличие множества разработок в сфе-
ре обработки материалов с помощью СВЧ, создание универсального устройства, подходя-
щего для тепловой обработки любых материалов, затруднительно из-за разнообразия их
форм и размеров, а также существенного различия электрофизических свойств диэлек-
триков. Поэтому в каждом конкретном случае требуется создавать оптимальную конст-
рукцию устройства и выбирать вариант возбуждения электромагнитного поля. Данная
работа посвящена моделированию поглощения энергии электромагнитного поля СВЧ в
устройстве для пастеризации молока. С применением САПР FEKO построена 3D модель
устройства и выполнено моделирование его работы. Проведено исследование влияние угла
наклона кварцевых трубок на распределение электромагнитного поля в волноводе. Получен-
ные результаты показывают, что большая часть мощности поглощается ближе к началу
волновода, причем при увеличении угла наклона трубок это явление имеет более выражен-
ный характер. На основании проведенных расчетов установлен оптимальный угол наклона
трубок. Также рассмотрено влияние диаметра и материала трубок. Получены распределе-
ния электрического поля и удельной мощности, поглощенной на кг диэлектрика в волноводе.Выполнена оценка точности результатов. Возможными модификациями предлагаемой
конструкции устройства пастеризации могут быть другие варианты расположения тру-
бок с жидкостью. Также влияние на поглощаемую мощность может оказывать толщина
стенок трубки. Кроме того, состав молока изменяет его электрофизические свойства, и
соответственно также может повлиять на уровень поглощаемой мощности. Однако эти
вопросы требуют дальнейшего исследования.
Литература
Engineers, London, 1998.
2. Kubo M.T.K., Curet S., Augusto P.E.D., Boillereaux L. Multiphysics modeling of microwave
processing for enzyme inactivation in fruit juices, Journal of Food Engineering, 2019, Vol.
263, pp. 366-379.
3. Bykov Y.V., Rybakov K.I., Semenov V.E. High-Temperature Microwave Processing of Materials,
Journal of Physics, D-Applied Physics, 2001, Vol. 34 (13), pp. 55-75.
4. Lapochkin M.S., Morozov O.G. SVCh ustroystva adaptivnogo tipa dlya intensifikatsii
protsessov plavleniya snezhno-ledyanoy massy [Microwave devices of adaptive type for intensification
of melting processes of snow-ice mass], Sb. nauchnykh trudov II VNTK molodykh
uchenykh, aspirantov i studentov s mezhdunarodnym uchastiem «VTSNT-2013» [Collection of
scientific papers of the II vntc of young scientists, postgraduates and students with international
participation "VTSNT-2013"]. Tomsk, 2013, Vol. 2, pp. 234-238.
5. Rybkov B.C., Kolomeytsev VA., Evseykin A.A. Struktura elektricheskogo polya v rezonatornoi
kamere SVCh nagrevatel'noy ustanovki pri bokovom chetyrekhshchelevom sposobe
vozbuzhdeniya [Structure of the electric field in the resonator chamber of a microwave heating
system with a lateral four-slit method of excitation], Radiotekhnika i svyaz': Mater.
Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Radio engineering and communications: Proceedings of the
International scientific and technical conference]. Saratov: SRGU, 2008, pp. 147-153.
6. Kolomeytsev V.A., Salakhov T.R., Salimov I.I., Rybkov B.C. Povyshenie ravnomernosti nagreva
polimernykh materialov v pryamougol'noy rezonatornoy kamere pri termoobrabotke v
odnomodovom rezhime [Increasing the uniformity of heating of polymer materials in a rectangular
resonator chamber during heat treatment in single-mode mode], Elektronika i vakuumnaya
tekhnika: Pribory i ustroystva. Tekhnologiya. Materialy: Mater. nauch.-tekhn. konf. [Electronics
and vacuum technology: Devices and devices. Technology. Materials: Materials of the scientific
and technical conference]. Saratov: Izd-vo Sarat. un-ta, 2007, pp. 191-197.
7. Zhuravlev A.N., Karpov D.I., Salakhov T.R. Teplovye protsessy v konveyernoy SVChustanovke
poperechnogo tipa na osnove PVTR [Thermal processes in a conveyor microwave
installation of a transverse type based on PVTR], Funktsional'nye sistemy i ustroystva nizkikh i
sverkhvysokikh chastot: Mezhvuz. nauch. sb. [Functional systems and devices of low and ultrahigh
frequencies: interuniversity scientific collection]. Saratov: SGTU, 2003, pp. 58-62.
8. Karpov D.I., Kolomeytsev V.A. Patent na izobretenie № 2329617 RF. SVCh-pech' [Patent for
invention No. 2329617 of the Russian Federation. Microwave oven]; Bul. No. 20. FSU FIPS,
2008.
9. Drogaytseva O.V., Karpov D.I., Karpov I.A. Issledovanie protsessa vyravnivaniya temperatury
nagreva materiala v ustanovkakh rezonatornogo tipa [Investigation of the process of equalizing
the heating temperature of the material in resonator-type installations], Sb. nauch. tr.
«Radiotekhnika i svyaz'» [Collection of scientific papers "radio engineering and communications"].
Saratov: SGTU, 2009, pp. 409-415.
10. Drogaytseva O.V., Kolomeytsev V.A., Semenov A.E. Optimizatsiya mnogoshchelevoy sistemy
vozbuzhdeniya elektromagnitnogo polya v SVCh nagrevatel'nykh ustanovkakh rezonatornogo
tipa [Optimization of the multi-slot system of electromagnetic field excitation in microwave
heating installations of resonator type], Vestnik Caratovskogo gosudarstvennogo
tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov state technical University], 2010, No. 3,
pp. 106-112.
11. Mamontov A.V., Nazarov I.V., Potapova T.A. Temperature Field Distribution in Sheet Materials
in Microwave Heating Waveguide Devices, 2006 International Conference on Actual Problems
of Electron Devices Engineering, 12 February 2007, Saratov, Russia. DOI:
10.1109/APEDE.2006.307416.
12. Nefedov V.N., Mamontov A.V., Chechetkin A.A. Heat treatment of sheet materials using slowwave
systems, 2016 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering
(APEDE), 22-23 Sept. 2016, Saratov, Russia. DOI: 10.1109/APEDE.2016.7879044.
13. Mamontov A.V., Nefedov V.N. Microwave method of even temperature distribution in the volumetric
materials, 2013 23rd International Crimean Conference "Microwave & Telecommunication
Technology", 8-14 Sept. 2013.
14. Nefedov V.N., Mamontov A.V., Saygin I.A. Heat treatment of a rod dielectric materials using
microwave radiation, 2016 International Conference on Actual Problems of Electron Devices
Engineering (APEDE), 22-23 Sept. 2016. DOI: 10.1109/APEDE.2016.7879041.
15. Shatalov A.L. Performance in using electromagnetic field energy for heating insulating and
semiconducting media, Chemical and Petroleum Engineering, 2008, Vol. 44, No. 11-12,
pp. 704-708.
16. Shatalov A.L. Fizicheskaya model' protsessa nagreva zhidkikh sred polem SVCh [The physical
model of process of heating liquids microwave field], Sb. “Netraditsionnye i lazernye
tekhnologii”: Doklady Mezhdunarodnoy konferentsii ALT-92 [Collection "Non-traditional and
laser technology»: Reports of the ALT-92 International conference]. Moscow, 1992, pp. 45-48.
17. Shatalov A.L., Ardashev A.I. Chulkov V.P. Osnovy rascheta konveyernoy SVCh sushilki [Basics
of calculating a conveyor microwave dryer], Sb. “Raschet i konstruirovanie mashin i
apparatov khimicheskikh proizvodstv” [Collection "Calculation and construction of machines
and devices of chemical production"]. Moscow: MIKHM, 1983, pp. 99-103.
18. Anfinogentov V.I. Chislennoe modelirovanie sverkhvysokochastotnogo elektromagnitnogo
nagreva neszhimaemoy vyazkoy zhidkosti, dvizhushcheysya v tsilindricheskoy trube [Numerical
simulation of ultra-high-frequency electromagnetic heating of an incompressible viscous
liquid moving in a cylindrical tube], Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy [Electromagnetic
waves and electronic systems], 2006, Vol. 11, No. 2-3, pp. 3-9.
19. Anfinogentov V.I. Ob optimal'nom upravlenii SVCh nagrevom dielektrikov [On optimal control
of microwave heating of dielectrics], Aviakosmicheskie tekhnologii i oborudovanie: Mater.
Mezhd. nauch.-prakt. konf. [Aviation and space technologies and equipment: Materials of the
International scientific and practical conference]. Kazan': Izd-vo Kazan, gos. tekhn. un-ta,
2006, pp. 346-349.
20. Anfinogentov V.I., Galimov M.R., Morozov G.A., Morozov O.G. Matematicheskoe modelirovanie
mikrovolnovoy separatsii vodoneftyanoy emul'sii [Mathematical modeling of microwave separation
of oil-water emulsion], Matematicheskie metody v tekhnike i tekhnologiyakh – MMTT18: Sb.
trudov XVIII Mezhdunarod, nauch. konf. [Mathematical methods in engineering and technology-
MMTT18: proceedings of the XVIII International scientific conference]. In 10 vol., Vol. 3.
Kazan': Izd-vo Kazanskogo gos. tekhnol. un-ta, 2005, pp. 159-162.
21. Bukreev V.G., Eremin A.D., Chekrygina I.M. Patent na izobretenie № 2101884 RF ot
10.01.1998. SVCh-nagrevatel' zhidkosti [Patent for invention No. 2101884 of the Russian
Federation dated 10.01.1998. microwave liquid heater].
22. Chekrygina I.M., Eremin A.D., Bukreev V.G., Rakitin A.N. Patent na izobretenie № 2171584
RF ot 10.08.2001. Sposob pasterizatsii (sterilizatsii) zhidkikh vodosoderzhashchikh
pishchevykh produktov [Patent for invention No. 2171584 of the Russian Federation dated
10.08.2001. Method of pasteurization (sterilization) of liquid water-containing food products.].
