Разработка энергосберегающей установки для микронизации зерновых кормов с использованием сложения мощностей магнетронов

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена степень ее
разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, получена научная новизна, выведена теоретическая и практическая значимость, выбраны методология и методы ис- следования, выявлены положения, выносимые на защиту, достигнута степень достоверно- сти, проведена апробация результатов.
В первом разделе диссертационной работы проведен аналитический обзор произ- водства зерновых кормов, в результате которого выявлен объем зернового сырья, исполь- зующийся для корма скоту и птице. Тем самым, сформирован и выбран узкий производ- ственный сегмент, в котором предполагается продвижение научной идеи до потребителя, определена расчетная емкость для реализации внедренческой деятельности. Обоснован вы- бор потребителя производимой продукции – это крестьянские (фермерские) хозяйства и личные подсобные хозяйства с поголовьем до 40 КРС (крупный рогатый скот), общее ко- личество которых составляет около 5 млн. хозяйств.
В результате аналитического обзора технических средств микронизации зерновых кормов выявлено достаточное множество предложений серийно производимых измельчи- телей зерновых культур и инфракрасных микронизаторов зернового сырья в целях произ- водства зерновых кормов в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1 – Сравнительные данные по техническим средствам микронизации
No п/п 1
2 3 4
Наименование техниче- ского средства
Дробилка молотковая Зубр-1С (механическая) Установка УТЗ-4 (инфра- красный микронизатор) Установка «Декстрин-3» (СВЧ)
Установка «Поток» (СВЧ)
Энергетические Производитель- затраты, кВт⸱ч/кг ность, кг/ч
0,014 180 0,33 200 0,03 1000 0,08 50
Недостатки
не повышает питательность зерна высокие энергозатраты высокая стоимость
высокие энергозатраты
В большинстве случаев применяемые на практике для измельчения зерна дробилки относительно недорогие, но их применение не решает задачу повышения питательности
кормов. Инфракрасное излучение улучшает переваримость и питательные свойства зерно-
вых кормов. Однако эксплуатационные энергетические затраты ИК излучателей высокие и составляют не менее 0,33 кВт⸱ч/кг. Более предпочтительно с этой точки зрения использо- вание сверхвысокочастотной энергии для микронизации зерна, энергоемкость при этом ме- тоде микронизации составит 0,08 кВт⸱ч/кг. Балансовая стоимость СВЧ установок также не- велика, если источником сверхвысокочастотной энергии является генератор серийного производства 1 кВт и частотой 2450 МГц. Но мощности 1 кВт недостаточно для производ- ства зерновых кормов в условиях крестьянских (фермерских) хозяйств. Применение СВЧ генераторов мощностью более 1 кВт значительно повышает стоимость конструкции сверх- высокочастотной установки. Технологии и установки циклического действия при исполь- зовании нескольких маломощных СВЧ генераторов увеличивают продолжительность мик- ронизации.
Совершенствовать сверхвысокочастотный способ микронизации зерна предлагается реализацией его установкой, в конструкции которой предусмотрено сложение мощностей магнетронов в волноводе, что обеспечивает повышение производительности при снижении энергоемкости, уменьшая таким образом балансовую стоимость конструкции установки и эксплуатационные затраты при ее работе, таким образом достигая рационального исполь- зования сырьевой базы для производства зерновых кормов при повышении их питательно- сти и переваримости.
Во втором разделе представлены теоретические исследования потока мощности СВЧ энергии в устройстве сложения мощностей магнетронов. Определены условия сложе- ния мощностей 2-х магнетронных генераторов сверхвысокой частоты, осуществляемое в прямоугольном стандартном волноводе установки упрощенной конструкции при обеспе- чении ее эксплуатационной надежности. В составе установки отличительными особенно- стями обладает устройство сложения мощностей, содержащее два магнетрона и волновод оригинальных размеров, условием работы которого является обязательное соблюдение раз- меров: L, расстояния от крышки короткозамкнутой до оси, пролегающей через центр вра- щения излучателя первого магнетрона, и A, расстояния от оси, пролегающей через центр вращения излучателя первого генератора, до оси, пролегающей через центр вращения из- лучателя второго генератора, а именно 4,2 < A/L < 7,2 в соответствии с рисунком 1. Приводятся критерии, согласно которым подбираются расстояния A (144 мм) и L (54 мм): - условия передачи максимальной по амплитуде сложенной сверхвысокочастотной энергии в волноводный узел; - минимальные потери мощности в процессе передачи ее в волноводный узел; - допустимые рабочие температуры магнетронов; - подбор рационального варианта подсоединения и включения в электрическую сеть. Рисунок 1 – Устройство сложения мощностей 2-х магнетронных генераторов: 1 – первый магнетронный генератор; 2 – излучатель первого магнетронного генератора; 3 – второй магнетронный генератор; 4 – излучатель второго магнетронного генератора; 5 – волновод; 6 – крышка короткозамкнутая; 7 – фланец; 8 – вкладыши Импульсы СВЧ мощности в волноводном узле при противофазном способе подклю- чения магнетронов в сеть формируются в интервалах отрицательных и положительных по- лупериодов высоковольтного вторичного напряжения трансформатора Т2. Они имеют форму двухполупериодных полуволн, изменяющихся с течением времени. В результате ис- следования временных характеристик напряжения, тока и мощности устройства установ- лено, что в режиме подключения противофазным способом в сеть магнетронов сверхвысо- кочастотная мощность на выходе достигает 95-98% относительно сложенных паспортных данных номинальных выходных мощностей каждого из магнетронных генераторов. В ре- жиме подключения в сеть магнетронов синфазным способом, то есть при работе согласно взаимной синхронизации сигналов, сверхвысокочастотная мощность на выходе составляет 75-82% относительно номинальной их суммы. Поэтому выбирается противофазное под- ключение. Для обоснования конструкции рабочей камеры установки рассмотрим физические процессы, протекающие в ней. Рабочая камера прежде всего, является резонатором для СВЧ волн. Решение использовать рабочую камеру цилиндрической формы обуславлива- лось следующими соображениями: сделать потери электромагнитной энергии минималь- ными; обеспечить равномерность распределения электромагнитного поля при обработке зерновых кормов; уменьшить количество мод. В цилиндрическом полом резонаторе образуются в результате резонанса стоячие элек- тромагнитные волны. Введем векторы, соответственно, электрического и магнитного поля: ⃗ = ∙ ; (1) ⃗ = ∙ , (2) где Еm и Hm – амплитуды электрического и магнитного полей в резонаторе, В/м и А/м; ω – круговая частота СВЧ генератора, рад/с; t – время, с. Уравнения Максвелла для этих полей в нашем резонаторе запишутся следующим об- разом: ⃗⃗ ⃗ = · + · · · 0 · ; (3) ⃗ ⃗ = · · · 0 · , (4) где σ – удельная проводимость зерновых кормов, заполняющих резонатор, См/м; μ – относительная магнитная проницаемость; ε – относительная диэлектрическая проницаемость; μ0 – магнитная проницаемость вакуума, 4π⸱10-7 Гн/м; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85⸱10-12 Ф/м. Граничные условия равенства нулю тангенциальной составляющей электрического поля Е с использованием цилиндрических координат φ, r, z имеют следующие математиче- ские выражения: Ez =0приr=R, Eφ =0приr=R, где Ez – составляющая электрического поля вдоль координаты z; Eφ – составляющая электрического поля вдоль координаты φ; R – радиус резонатора, м. Запишем векторную операцию «rot» в цилиндрических координатах: ⃗ 1 (5) (6) =( · − )· +( − )· + ·( · + − )· . (7) Аналогично: ⃗ 1 1 =( · − )· +( − )· + ·( · + − )· , (8) где er, eφ и ez – единичные орты цилиндрической системы координат. Используя формулу (3), получаем: 1 · − = − · · · 0 · ; (9) − = − · · · 0 · ; (10) 1 · + − 1 · = − · · · 0 · . (11) Используя формулу (4), получаем: 1 · − = · · · 0 · ; (12) − = · · · 0 · ; (13) 1 · + − 1 · = · · · 0 · . (14) Анализ формул (9) - (14) показывает, что поле в цилиндрическом резонаторе разде- ляется на волны типов Еnm (электрические волны) и Нnm (магнитные волны). На основании этого анализа подбираются конструктивные размеры рабочей камеры такими, что волна типа Н01 имеет преимущество в распространении по сравнению с другими типами волн. Таким образом, размеры цилиндрического резонатора составляют: радиус 0,1 м; высота 0,5 м. Электрические силовые линии волны этого типа имеют форму замкнутых окружностей и не заканчиваются на стенках резонатора. Это приводит к тому, что волны этого типа имеют минимальные наводки на стенках резонатора и соответственно минимальные по- тери энергии. Для обоснования формирования потока мощности СВЧ энергии в установке прове- дено моделирование электромагнитного поля в ней, генерируемого на рабочей частоте 2,45 ГГц при противофазном подключении магнетронов в сеть в соответствии с рисунком 2. 3D модель устройства разработана в программе Компас-3D в соответствие с рисунком 2а и загружена в CST Studio. а) б) в) г) Рисунок 2 – Моделирование потока мощности электромагнитного поля в волноводе и рабочей камере установки на рабочей частоте 2,45 ГГц при противофазном включении магнетронов в сеть: а) устройство; б) волновод; в) устройство без зерна; г) устройство с зерном: 1 – магнетроны; 2 – волновод; 3 – рабочая камера Получено, что формирование наибольшего локализованного электрического и маг- нитного поля у открытого конца волновода при противофазном способе подключения маг- нетронов в сеть наблюдается практически во всех фазах периода СВЧ рабочих частот. Мак- симальные концентрации напряженности электрического поля в волноводе, составляющая в усредненном виде 57,5 В/м, и напряженности магнитного поля, составляющая в усред- ненном виде 0,226 А/м, формируется на его выходе, выполняющем функции рупора для передачи и транспортирования электромагнитной энергии. Анализ распределения электромагнитного поля при противофазном способе подклю- чения магнетронов в сеть показал, что это поле генерируется на поверхности излучателей, двигается до широких и узких стенок профиля волновода, отражается от них и, замыкаясь в момент времени, соответствующий четверти периода прохода волны, распределяется по всему объему волновода. Конструкцией волновода предусмотрены два направления транс- портирования электромагнитных волн. Один поток мод электромагнитного поля направля- ется в открытый конец волновода рупорного типа и раскрывается через него в рабочую камеру. Другой поток мод электромагнитного поля направляется в закрытый конец, отра- жается от короткозамкнутой крышки и устремляется в одинаковом направлении с первым потоком мод в соответствии с рисунком 2б. В волноводе разработанного устройства дости- гается суммирование мощностей магнетронных генераторов за счет сложения электриче- ского и магнитного полей, которые генерируются СВЧ магнетронными генераторами. Им- пульсы потока мощности электромагнитной энергии сверхвысокой частоты, генерируемые двумя магнетронами, соответствующие величине 13 В⸱А/м2 в усредненном виде, распро- страняясь по всему объему волновода в различные отрезки времени согласно рабочей ча- стоте, принимают направление электромагнитных силовых линий от короткозамкнутого торца в открытую часть волновода, локализуются с наибольшей концентрацией в выход- ном открытом конце волновода, что объясняется явлениями сложения мощности ввиду обеспечения бегущей волны, согласно обеспечению условий передачи сложенной сверх- высокочастотной энергии в рабочую камеру в соответствии с рисунками 2в и 2г. Разрабо- танный волновод в составе устройства сложения мощностей 2-х магнетронных генераторов сверхвысокой частоты будет эффективно выполнять функции сложения и последующего подвода СВЧ энергии в рабочую камеру установки для микронизации зерна. В третьем разделе представлены разработанная установка и экспериментальные ис- следования микронизации зерновых кормов. Для определения размеров рабочей камеры проведены эксперименты по поглоще- нию мощности водяной нагрузкой (ГОСТ Р МЭК 60705-2011) в виде емкости с 1 кг воды в соответствии с рисунком 3. Нагрузка помещалась на дно рабочей камеры с фиксированным радиусом. Время СВЧ обработки во всех случаях составляло 60 с. Поглощаемая мощность определялась по формуле: = ∙ 2− 1 , (15) где P – поглощаемая мощность на нагрузке, Вт; c – теплоемкость, 4200 Дж/кг⸱К; m – масса воды, кг; Т2 – конечная температура, К; Т1 – начальная температура, К; t – время, с. 2000 1500 1000 500 0 1400 1430 1430 0,15 1400 0,2 0 0,5 0,05 0,1 1250 Радиус рабочей камеры, r, м Рисунок 3 – Мощность, поглощаемая нагрузкой в рабочей камере Результаты эксперимента подтверждают суммирование мощностей магнетронов в камере и позволяют выбрать радиус рабочей камеры, равный 0,1 м. Мощность, P, Вт На основе обоснования актуальности разработки установки для микронизации зер- новых кормов, выявленной в результате аналитического обзора технических средств про- изводства зерновых кормов, с учетом полученных результатов теоретических исследова- ний в отношении разработки способа сложения мощностей в волноводе СВЧ магнетрон- ного генератора, моделирования электромагнитного поля и определения его структуры в компьютерной модели волновода устройства для сложения мощностей магнетронов, бла- годаря определению конструктивных параметров рабочей камеры на основании соответ- ствия расчетных и экспериментальных данных, изготовлен экспериментальный образец установки, представленный на рисунке 4. Рисунок 4 – Экспериментальный образец уста- новки для микронизации зерновых кормов: 1 – рама; 2 – волновод; 3 – датчик элек- тромагнитных излучений; 4 – станина; 5 – вентилятор первый; 6 – блок питания первый; 7 – магнетронный генератор первый; 8 – блок питания второй; 9 – магнетронный генератор второй; 10 – вентилятор второй; 11 – мультиметр; 12 – термопара; 13 – рабочая камера Масса активной части установки, чем является устройство сложения мощностей маг- нетронов, составляет 7 кг. В этом расчете не учитывается масса рабочей камеры, которая, в свою очередь, выбирается производителем исходя из своих личных предпочтений со- гласно объемам производства зерновых в конкретных условиях и хозяйствах. Благодаря этому, установка может собираться и устанавливаться в любом удобном месте производ- ственного цеха. Производительность составляет 50 кг/ч при использовании 2-х магнетро- нов и 100 кг/ч при использовании 4-х магнетронов. С учетом суммарной потребляемой мощности магнетронов 2 кВт, получаются энергетические затраты 0,04 кВт⸱ч/кг. Экспери- ментальный образец установки прошел производственную проверку в КФХ Афонькин М.В., ко- торая показала положительные результаты проведенных испытаний. Магнетронные генераторы выбраны зарубежного производства марки LG модели М213-39F, номинальная мощность которых составляет 1 кВт. Выбрана современная контрольно-измерительная аппаратура для контроля, управле- ния технологическими режимами процесса микронизации зерновых кормов в разработан- ном и изготовленном экспериментальном образце установки, включающая контроля уровня электромагнитных излучений «Электроника», комплекс измерения температуры, влагомер зерна «Фауна-М». Проведены экспериментальные исследования микронизации. Выявлено вспучива- ние, набухание и увеличение зерна в размерах за счет увеличения давления водяного пара внутри зерна. По мере увеличения давления, водяной пар за счет диффузии изнутри выно- сится на поверхность зерна, разрушая его структуру. Тем самым, увеличивается пористость зерновых кормов. Зерновые корма приобретают характерный аромат поджаристости, спо- собный увеличивать аппетит сельскохозяйственных животных. Достигается улучшение внешнего вида зерновых кормов вплоть до румяной корки. Термообработка выполняется по всему объему зернового материала, улучшаются его органолептические характери- стики, обеспечиваются все необходимые условия для поедания сельскохозяйственными животными зерновых кормов, обработанных в СВЧ электромагнитном поле. Установлена продолжительность процесса микронизации зерновых кормов, которая составляет 108 с при загрузке 1,5 кг при использовании 2-х магнетронов и при загрузке 3 кг при использо- вании 4-х магнетронов. Для выявления параметров установки для микронизации зерновых кормов проведен полный трехфакторный эксперимент. В результате микронизации зерновые корма, представляемые в качестве объекта воз- действия, взаимодействуют с электромагнитным сверхвысокочастотным полем, которое образуется за счет электромагнитного излучения сверхвысокочастотных волн магнетрон- ным генератором. Взаимосвязь электромагнитного излучения с зерновыми кормами опре- деляет особенности протекания исследуемого процесса, определенного как микронизация. Строго говоря, в это взаимодействие с СВЧ полем вступают имеющиеся в зерновом сырье полярные молекулы влаги, которые обладают дипольным моментом. Электрическая со- ставляющая поля приводит в движение молекулы. Выделяется тепловая энергия за счет поглощения энергии электромагнитного поля при движении и трении друг о друга поляр- ных молекул воды, что обеспечивает диэлектрический нагрев объекта. Проведены экспе- рименты по поглощению СВЧ энергии фуражным ячменем в зависимости от его влажности в соответствии с рисунком 5. Полученные характеристики позволяют утверждать, что влажность зерна является существенным фактором влияния на процесс микронизации СВЧ полем. Интенсивность и продолжительность микронизации зерновых кормов определяется регулятором уровня мощности устройства сложения мощностей магнетронных генерато- ров, обуславливающим подводимую в зерновые корма энергию. Устанавливая радиопрозрачный торец волновода относительно уровня зернового слоя слишком близко, создается вероятность того, что поглощение излучения будет ограниченно местным с максимальной локализацией. Тем самым, зерно, непосредственно располагающе- еся вблизи открытого конца волновода и под ним, прогреется больше, чем другая его часть. Изменится ситуация при монтаже радиопрозрачного торца волновода относительно уровня зернового слоя на слишком большом расстоянии. Прогрев сыпучего объекта будет равно- мерным, но медленным или слабым. По этой причине требуется определение высоты распо- ложения рупорного открытого торца волновода относительно уровня зернового слоя. Рисунок 5 – Поглощаемая энергия фуражным ячменем в рабочей камере В этой связи факторами, существенно влияющими на процесс СВЧ микронизации зерновых кормов, являются влажность зерна, уровень подводимой энергии, высота распо- ложения радиопрозрачного торца волновода относительно уровня зернового слоя. Условный нулевой уровень и единицы изменения плана полного трехфакторного эксперимента в произвольных единицах являются следующими согласно таблице 2. Таблица 2 – Условный нулевой уровень и единицы вариации плана полного трехфактор- ного эксперимента No Исследуемый фактор 1 x1 (влажность зерна, %) 2 x2 (уровень подводимой энергии, у.е.) 3 x3 (высота расположения радиопрозрачного торца волновода 0хi λi 16 4 2 1 40 20 -1 +1 12 20 1 3 20 60 относительно уровня зернового слоя, мм) Выходной функцией является содержание обменной энергии в зерне ячменя фураж- ного, единицей измерения которой является МДж/кг сухого вещества. Целевой функцией является повышение обменной энергии. Обменная энергия ячменя фуражного выбрана вы- ходной функцией по причине того, что этот физико-химический показатель является ком- плексной характеристикой качества не только ячменя фуражного, но и других культур со- гласно ГОСТ Р 53900-2010. Контрольное значение содержания обменной энергии в образце ячменя фуражного было 12 МДж/кг, как среднее из трех вариантов повторения измерений. Контрольный образец ячменя фуражного представлен в соответствии с рисунком 6а. Опытный образец ячменя фуражного при сочетании низких уровней факторов представлен в соответствии с рисунком 6б. Опытный образец ячменя фуражного при сочетании высоких уровней факторов представлен в соответствии с рисунком 6в. Получены экспериментальные данные по измерению содержания обменной энергии в пробах зерна ячменя фуражного согласно анализу качественных показателей зерна яч- меня фуражного в соответствии с рисунком 7. Измерения содержания обменной энергии 14 проводились в испытательной лаборатории ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. Выявлено повышение обменной энергии, что является качественной физико-химической характеристикой про- цесса микронизации зерновых кормов. а) б) в) Рисунок 6 – Образцы экспериментальные ячменя фуражного: а) контрольный; б) опытный образец при сочетании низких уровней факторов; в) опытный образец при сочетании высоких уровней факторов 13,5 13 12,5 12 11,5 5 12,7 y = 2, 9e0 ,00 08x R 2= 0, 53 13, 13 ,1 13 ,9 ,5 2, 12 ,3 12 12,1 0 20 40 60 80 100 120 Продолжительность СВЧ обработки, t, с Рисунок 7 – Зависимость уровня обменной энергии от продолжительности СВЧ обработки зерновых кормов Экспериментально получено выражение для определения обменной энергии при СВЧ обработке ячменя фуражного (достоверность аппроксимации R2 = 0,922): ОЭ = 12,089 ∙ 0,0008∙ , (16) где ОЭ – обменная энергия ячменя фуражного, МДж/кг; t – продолжительность СВЧ обработки, с. Полученный коэффициент совпадает с расчетным по ГОСТ Р 53900-2010 с точностью до 0,08%. Разработана матрица планирования для выхода уровня обменной энергии ячменя фу- ражного в соответствии с таблицей 3. Таблица 3 – Матрица планирования содержания обменной энергии ячменя фуражного No Планирование Расчет x1⸱x2 x1⸱x3 x2⸱x3 + + + - - + + 12,2 12,4 12,6 12,4 - - - + 12,2 12,3 12,1 12,2 + + - - 12,7 12,8 12,9 12,8 + + - + 12,6 12,3 12,0 12,3 - - - - 12,7 12,8 13,2 12,9 - - + - 12,6 12,8 12,7 12,7 + + + + 12,2 12,7 12,5 12,5 п/п x0 x1 x2 x3 - - - - + - + - - + - + + + + + Выход x1⸱x2⸱x3 yN1 yN2 yN3 yN 1 + - 2 + + 3 + - 4 + + 5 + - 6 + + 7 + - 8 + + - 12,0 12,2 12,1 12,1 Обменная энергия, ОЭ, МДж/кг Уравнение регрессии получается путем решения матрицы планирования содержания об- менной энергии в образцах ячменя фуражного при определения регрессионных коэффициентов: =12,6875+0,3125∙ 1 +0,2375∙ 2 +0,2125∙ 3 +0,0625∙ 1 ∙ 2 −0,0125∙ 1 ∙ ∙ 3 +0,0125∙ 2 ∙ 3 −0,1125∙ 1 ∙ 2 ∙ 3. (17) Определяются: - дисперсия по строкам 2[ ] = 0,16; 0,04; 0,01; 0,04; 0,09; 0,01; 0,31; 0,04; - дисперсия воспроизводимости 2[ ] = 0,0875; - средняя дисперсия 2[ ] = 0,0292; - дисперсия регрессионных коэффициентов 2[ ] = 0,00365. Из дисперсии регрессионных коэффициентов определяется погрешность, составляющая 0,0604. Количество степеней свободы составляет 16. Распределение критерия Стьюдента со- ставляет 2,92 с вероятностью 95%. При уровне достоверности 0,95, значимость коэффици- ентов b1, b2, b3 обоснована. В связи со значимостью коэффициентов b1, b2, b3 утверждается, что на содержание обменной энергии в пробах зерна ячменя фуражного влияют все выбран- ные факторы, такие как влажность зерна, уровень подводимой энергии, высота расположе- ния радиопрозрачного торца волновода относительно уровня зернового слоя. Определение изменяемых факторов и выходной функции осуществляется по про- грамме крутого восхождения. Целевая функция определяется следующим образом: ОЭ = f (x1, x2, x3) = max. На основании предыдущих расчетов можно записать b1 ⸱λ1 = 1,25; b2 ⸱λ2 = 0,2375; b3 ⸱λ3 = 4,25. «Шаг» выбирается равным 1 . Условия в реаль- 5∙ ∙ ном выражении показаны в соответствии с таблицей 4. Таблица 4 – Условия в реальном выражении Noварианта 1 2 3 4 5 6 x1 16 x2 2 x3 40 выход 12,9 16,25 16,50 2,05 2,10 40,85 41,70 13,0 13,1 16,75 17,00 17,25 2,14 2,19 2,24 42,55 43,40 44,25 13,1 13,0 13,1 Как следует из данных таблицы, начиная с третьего варианта, последующее повышение факторов не приводит к каким-либо изменениям измеренного результата выходной функции, то есть к увеличению или уменьшению количества обменной энергии в сформированных об- разцах зерна ячменя фуражного. По результатам многофакторного эксперимента построена поверхность отклика в соответствии с рисунком 8. Анализ расчетных результатов выходной функции каждого из опытных вариантов поз- воляет сделать выводы о наиболее рациональных соотношениях изменяемых факторов для повышения содержания обменной энергии в пробах зерна ячменя фуражного: влажность 16,5%, уровень подводимой энергии 2, высота расположения радиопрозрачного торца волно- вода относительно уровня зернового слоя 41,7 мм. Рисунок 8 – Поверхность отклика обменной энергии при высоте расположения радиопрозрачного торца волновода относительно уровня зернового слоя 41,7 мм На основании проведенных расчетов и экспериментов определена проектируемая технологическая схема кормоприготовления в КФХ Афонькин М.В. в соответствии с ри- сунком 9. Рисунок 9 – Проектируемая технологическая схема кормоприготовления в КФХ Афонькин М.В. В четвертом разделе проведено технико-экономическое обоснование микронизации зерновых кормов. Выбрана методика технико-экономического обоснования, которая осно- вана на определении годового экономического эффекта и срока окупаемости конструкции нового оборудования, которая будет достигнута за счет снижения эксплуатационных издер- жек. С учетом научного этапа разработки, изготовления и производственной проверки экс- периментального образца оборудования выбирается современный и наиболее близкий по техническим характеристикам и условиям эксплуатации базовый однотипный аналог для сравнения установки для микронизации зерновых кормов, за который принимается уста- новка «Поток». Определены следующие технико-экономические показатели при внедрении установки в крестьянские (фермерские) и личные подсобные хозяйства населения. Произво- дительность проектной установки и базового аналога принимаются одинаковыми. Энергети- ческие затраты на процесс микронизации зерновых кормов при использовании базового ана- лога составляют 0,08 кВт⸱ч/кг, в проектном варианте 0,04 кВт⸱ч/кг. Общие эксплуатацион- ные издержки разработанной установки составят 45092,4 руб., аналога 47270,5 руб. Годовой экономический эффект в сравнении с аналогом, микроволновой установкой «Поток», соста- вит 80640 руб., при этом срок окупаемости конструкции будет около 0,9 года. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Выявлена актуальность разработки энергосберегающей установки для микрониза- ции зерновых кормов с использованием сложения мощностей магнетронов в результате аналитического обзора объемов производства зерновых кормов, способов и технических средств микронизации зерна, которая заключается в рациональном использовании зерно- вой сырьевой базы для производства кормов для сельскохозяйственных животных при по- вышении обменной энергии зерна. 2. Для обоснования формирования потока мощности СВЧ энергии разработаны ком- пьютерные модели распределения электромагнитного поля в волноводе устройства сложе- ния мощностей магнетронов и рабочей камеры установки, анализ которых показал, что ге- нерируемые импульсы потока мощности электромагнитной энергии сверхвысокой частоты двух магнетронов распространяются по всему объему волновода в различные отрезки вре- мени согласно рабочей частоте в режиме бегущей волны, локализуются с наибольшей кон- центрацией в выходном открытом конце волновода, согласно обеспечению условий пере- дачи сложенной сверхвысокочастотной энергии в рабочую камеру. При этом выявлено, что поток мощности в устройстве сложения в 1,9 раза больше потока мощности от одного маг- нетрона. 3. Разработана конструкция, изготовлен экспериментальный образец установки для микронизации зерновых кормов с использованием сложения мощностей магнетронов, и проведена его производственная проверка. Производительность установки составляет 50 кг/ч, удельные энергетические затраты на процесс микронизации – 0,04 кВт·ч/кг, что в 2 раза ниже, чем у аналога. 4. Обоснованы параметры и режим работы установки для микронизации зерновых кормов, соблюдение которых может способствовать повышению содержания обменной энергии в пробах зерна ячменя фуражного на 9,2% (с 12,0 до 13,1 МДж/кг), что способ- ствует увеличению питательности зерновых кормов у сельскохозяйственных животных: влажность ячменя 16,5%, уровень подводимой энергии устройством сложения мощностей магнетронных генераторов 2, высота расположения радиопрозрачного торца волновода от- носительно уровня зернового слоя 41,7 мм. 5. Определены технико-экономические показатели внедрения конструкции экспери- ментального образца установки для микронизации зерновых кормов с использованием сло- жения мощностей магнетронов в крестьянские (фермерские) и личные подсобные хозяй- ства населения: общие эксплуатационные издержки 45092,4 руб.; годовой экономический эффект в сравнении с аналогом, микроволновой установкой «Поток», 80640 руб.; срок оку- паемости конструкции составит около 0,9 года. Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы Рекомендуется применение разработанного сверхвысокочастотного оборудования в крестьянские (фермерские) и личные подсобные хозяйства населения для производства зерновых кормов, сырьевой базой которых могут быть злаковые, зернобобовые и маслич- ные культуры. Перспективы дальнейшей разработки темы основаны на повышении произ- водительности при снижении энергоемкости установки для микронизации с целью обеспе- чения питательности и переваримости зерновых кормов.