Вовна завдяки багатьом своїм якостям є незамінним волокном для виробництва текстильних виробів. Здатність утримувати тепло й вологу, висока міцність, еластичність і пружність, легкість і добра здатність прядильності вигідно відрізняють вовну від льону та синтетичних волокон. Вовна незамінна при виготовленні верхнього одягу й трикотажу, що є важливим для населення України з її різкоконтинентальним кліматом.

Збереження конкурентоздатних позицій вовни на ринку текстильних матеріалів багато в чому визначається її якістю. Якість вовняного волокна залежить від його первинної обробки. Одним з перших завдань при обробці вовни є її дезінфекція й підігрів у технологічному процесі при класировці і сортуванні. Існуючі технології дезінфекції й підігріву вовни перед класировкою не відповідають сучасним технологічним та екологічним вимогам.

У зв'язку з цим у роботі досліджені закономірності інформаційного та енергетичного впливу електромагнітної (ЕМ) енергії міліметрового (мм) діапазону довжини хвилі на патогенні мікроорганізми у вовні, на фізико-хімічні властивості самої вовни при її підігріві ЕМ енергією. Для рішення цих завдань у роботі, на основі теоретичних та експериментальних досліджень, була створена електронна система для дезінфекції й підігріву вовни в кипах.

Актуальність теми. Основним завданням при класировці вовни є її дезінфекція та підігрів з максимальним збереженням природних властивостей вовни. Стрижена вовна, що містить у собі жиропіт, випорожнення тварин, рослинні й механічні забруднення, які є середовищем для існування та розвитку багатьох мікроорганізмів. Встановлено, що в 1 г вовни міститься від 400 до 700 мільйонів бактерій, серед яких зустрічаються патогенні, що нерідко призводить до зараження робітників при класировці та сортуванні вовни збудниками бруцельозу, митерозу, сапу, токсикоплазмозу, ку-реккетмозу, лептоспірозів, сибірської виразки та чуми. При зберіганні немитої вовни, особливо при низьких температурах, відбувається її ущільнення і затвердіння жиропоту. При температурі 25.30⁰С жиропіт розм'якшується, а руна легко розгортаються, що підвищує якість сортування і зберігає природні властивості вовни. Аналіз технологічного процесу та електрообладнання, яке застосовується на підприємствах з переробки вовни виявив їхні істотні недоліки:

у процесі класировки і сортування вовни руйнуються природні властивості вовни, стандарту відповідає всього 10% вовни;

застосування розчинів і пароформаліну та фенолу, призводить до зменшення розривного навантаження і міцності вовни до 20%;

застосування хімічних речовин для дезінфекції вовни негативно впливає на екологію зовнішнього середовища;

розігрів вовни паром з температурою 130…160⁰С вимагає значних енерговитрат, сприяє розмноженню патогенних мікроорганізмів у вовні а її витрати складають до 20%.

Останнім часом вчені-екологи виступають за корінну зміну технологій переробки вовни. Якщо цього не відбудеться в найближчі 25 років, то вони вимагають закрити виробництво вовни. Все вищевказане вимагає розробки нової технології та устаткування для обробки вовни на принципово новій основі. В основі нової технології для дезінфекції та підігріву вовни може бути використано електромагнітне поле (ЕМП) мм діапазону довжин хвиль. Однак, створення ЕМ технології та електронної системи для дезінфекції та підігріву вовни в кипах перед її класировкою і сортуванням вимагає проведення як теоретичних, так і експериментальних досліджень, що, безсумнівно, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Тема дисертаційної роботи пов'язана із загальними українськими науковими програмами: державною науково-технічною програмою ДНТП-12 "Енерго - та ресурсозберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві", постановами Кабінету Міністрів України; програмою №1716 "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі на 2002.2008 рр.".

За планами НДР та ДКР Подільського державного аграрно-технічного університету були виконані наступні роботи: "Результати експериментальних досліджень з впливу ЕМП КВЧ діапазону на біологічні об'єкти", номер ДР 0104003721; "Розробка методів ультразвукової технології та електротехнічних систем обробки і технічних засобів контролю якості сільськогосподарської продукції", номер ДР 0102U000686.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка ЕМ технології в мм діапазоні довжин хвиль і електронної системи для дезінфекції патогенних мікроорганізмів і підігріву вовни в кипах у технологічному процесі її переробки. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

обґрунтувати біофізичні дії низькоенергетичного ЕМП мм діапазону довжин хвиль на патогенні мікроорганізми у вовні;

розробити модель взаємодії низькоенергетичного ЕМП мм діапазону довжин хвиль із патогенними мікроорганізмами у вовні;

на основі теоретичного аналізу даної моделі визначити діапазон змін біотропних параметрів ЕМП, що призводить до знищення патогенних мікроорганізмів у вовні;

теоретично дослідити процес підігріву вовни в кипах ЕМ енергією мм діапазону довжин хвиль і визначити параметри ЕМП;

теоретично обґрунтувати модель електронної системи для дезінфекції й підігріву вовни ЕМ енергією мм діапазону довжин хвилі;

провести експериментальні дослідження з дезінфекції й підігріву вовни енергією ЕМП мм діапазону довжин хвиль у лабораторних і виробничих умовах.

Об'єкт дослідження. Процес дезінфекції й підігріву вовни в кипах ЕМП мм діапазону довжин хвиль.

Предмет дослідження. Електронна система для дезінфекції й підігріву вовни в кипах у технологічному процесі її переробки.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої проблеми були використані методи теоретичної фізики, електродинаміки, радіоавтоматики, методи розв'язання диференціальних й інтегродиференціальних рівнянь; методи біофізики, методи лабораторних досліджень із патогенними мікроорганізмами у вовні.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

на основі теоретичних досліджень уперше досліджений процес взаємодії низькоенергетичного ЕМП мм діапазону довжин хвиль із патогенними мікроорганізмами у вовні і визначений діапазон змін біотропних параметрів ЕМП для їхнього знищення [5,6];

одержало подальший розвиток теоретичне дослідження з підігріву вовни ЕМП мм діапазону довжин хвиль з визначенням потужності та часу підігріву [4];

уперше на основі теоретичних досліджень обґрунтовані принципи побудови електронної системи для дезінфекції й підігріву вовни в кипах ЕМП мм діапазону довжин хвиль [1, 2, 3].

Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних й експериментальних досліджень розроблена електронна система в мм діапазоні довжин хвиль для дезінфекції й підігріву вовни в кипах. Застосування даної системи на підприємствах, що використовують вовняне волокно, дозволяє підвищити продуктивність праці, виключити вплив патогенних мікроорганізмів у вовні на здоров'я робітників, виключити вплив процесу дезінфекції та підігріву вовни на екологію навколишнього середовища. Результати досліджень впроваджені на підприємстві "Тканини-Поділля" Хмельницької області у 2008 році. Прибуток від впровадження електронної системи для дезінфекції й підігріву вовни склав 4300 грн. на 1 т вовни.

вовна електромагнітна технологія поле

Особистий внесок здобувача. У наукових працях, написаних у співавторстві, особистий внесок полягає в наступному:

у роботах [1, 2, 3] здобувачем проведені теоретичні дослідження методів узгодження джерела ЕМ енергії мм діапазону довжин хвиль із призматичним резонатором, у якому перебуває кипа вовни;

у роботі [4] запропонована вдосконалена модель підігріву вовни в кипах і на основі теоретичних досліджень визначені потужність ЕМ енергії й час для підігріву вовни;

у роботі [6] визначено електромагнітні поля, які розсіяні мікроорганізмами у вовні. Отримані результати використані для визначення біотропних параметрів ЕМП, які пригнічують патогенні мікроорганізми у вовні.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи заслуховувалися та обговорювалися на: міжнародній науково-практичній конференції "Использование лазеров в медицине и биологии" (Ялта, 2006 р.); 8-й міжнародній науковій конференції "Живые системы и биологическая безопасность населения" (Москва, ГУПБ, 2009 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Информационные технологии: наука, техника, технологии, образование, здоровье" (Харків, НТУ "ХПІ", 2007 р.); міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України" (Харків, ХНТУСГ, 2007 - 2009 рр.); науково-практичній конференції "Вплив фізичних факторів на біологічні об'єкти" (Харків, ХНУРЕ, 2008 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 2-х статтях науково-технічних збірників та 4-х статтях науково-технічних журналів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел.

Вона містить у собі 163 сторінки, 25 рисунків, 9 таблиць, 3 додатка на 12 сторінках, список використаних джерел нараховує 127 найменувань на 12 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, формулюється наукове завдання, що розв'язується, розкривається сутність і стан цієї задачі, висвітлюється зв'язок роботи з програмами, планами та темами НДР, формулюються напрямки та наукові задачі дослідження, розв'язання яких забезпечує значущість одержаних результатів, визначаються наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, а також особистий внесок здобувача в надрукованих роботах. Надана інформація щодо апробації дисертаційних досліджень.

У першому розділі проведений аналіз методів і пристроїв для обробки немитої вовни. Перед промиванням вовни на підприємствах первинної обробки вовни вона піддається підігріву в кипах з наступним сортуванням і класировкою. Аналіз існуючих методів підігріву вовни показав, що їм властиві суттєві недоліки:

після підігріву вовни в кипах у ній відбувається посилене розмноження патогенних мікроорганізмів, небезпечних для здоров'я робітників;

застосування пари та повітря з температурою 130…160⁰С для підігріву вовни призводить до втрат вовни до (2%) і зменшує міцність волокон вовни;

неприпустимо великий час підігріву вовни;

значні енерговитрати для підігріву вовни в кипах (десятки кВт).

При класировці та сортуванні вовни робітники піддаються небезпеці зараження патогенними мікроорганізмами, які перебувають у вовні.

Як відомо, вовна несе на собі велику кількість бактеріальної флори, у середньому в 1 г вовни міститься до 400.700 мільйонів бактерій. При проведенні класировки та сортування вовни це призводить до попадання бактерій на шкіряний покрив, з пилом в очі та органи дихання робітників. Крім того, при цьому забруднюється бактеріями повітряне середовище. Поряд з бактеріями у повітря потрапляють і спори грибків. Особливу небезпеку для виникнення мікробних захворювань органів носоглотки та дихальних шляхів, а також грибкових захворювань шкіри та підшкіряної клітковини представляють, так звані, санітарно-показові мікроорганізми. До них відносяться: стафілококи, стрептококи, кишкова паличка.

На підставі досліджень бактеріальної флори виявилося, що вміст стафілококів у повітрі коливався від 300 до 13920 колоній в 1 м³, а стрептококів - 30…5710 колоній. Основним джерелом забруднень повітря і вмісту в ньому хвороботворних бактерій є пилова сировина.

Обробка тваринної сировини нерідко призводить до зараження робітників збудниками бруцельозу, митерозу, сапу, токсикоплазмозу, ку-реккетмозу, лептоспірозів, сибірської виразки та чуми. Як один з додаткових механізмів, можливий повітряно-пиловий шлях при Ку-реккетмозі, сибірській виразці, сапі.

Таким чином, для зниження захворюваності класировщиць і сортувальниць необхідно застосовувати дезінфекцію вовни в процесі попередньої її підготовки.

У даний час ефективними методами дезінфекції вовни є пароформалінові камери, камери Крупина та метод мийки вовни із застосуванням формаліну.

В останні роки розроблені нові препарати (дезаксон-4, дезефект та ін.) і методики їхнього застосування в медицині, ветеринарії і санітарії. Однак, усі відомі дезинфектанти змінюють фізико-хімічні і органолептичні властивості вовни, шкідливо діють на навколишнє середовище й організм людини.

Проведений аналіз показує, що для знищення патогенних мікроорганізмів у вовні, збереження якості волокон вовни, і екології навколишнього середовища необхідно застосовувати ЕМ методи дезінфекції й підігріву вовни. Застосування ЕМ енергії для дезінфекції й підігріву вовни дозволить скоротити тривалість технологічного процесу, поліпшити санітарно-гігієнічні умови праці, підвищити продуктивність праці.

Теоретичні та експериментальні дослідження останніх років, що проводилися в Харківському НТУСГ (під керівництвом Л. Кучина, О. Черенкова, А. Черепньова, М. Лисиченко, Ю. Мегеля), Челябінському ТУСГ (під керівництвом Ф. Ізакова), ІРЕ РАН (під керівництвом Н. Девяткова, Ю. Гуляєва), Тульському ГУ (під керівництвом Е. Нефедова), НАУ (під керівництвом Л. Червінського) свідчать про те, що для гноблення патогенних мікроорганізмів у вовні необхідно застосовувати низькоенергетичне ЕМП мм діапазону довжин хвиль. ЕМ енергія крайвисокочастотного (КВЧ) і надвисокочастотного (НВЧ) діапазонів знайшла широке застосування в сільськогосподарському виробництві, медицині та промисловості.

У сільському господарстві ЕМВ знайшло застосування для знищення борошняного хрущака та кільчастого шовкопряда, дезинсекції насіння, пастеризації молока і вина, зберігання плодів та овочів, знезаражування комбікормів й яєчного порошку, знищення цвілі в хлібобулочних виробах, для дезинсекції м'якої мішкотари, у консервному виробництві.

У медичній галузі ЕМ енергія знайшла застосування у знезаражуванні й дезінфекції лікарських рослин, колагенових пов'язок, структурованої і регенерованої шкіри, для стерилізації інструмента, посуду, одягу, взуття, приміщення.

ЕМ енергія змінює метаболічні і біосинтетичні процеси та при певних параметрах ЕМП (частота, потужність, експозиція) може сповільнювати та пригнічувати клітинний ріст. Опромінення в мм діапазоні РНК і ДНК, які містять в собі вірус, призводить до зниження їх інфекційності. Проведений аналіз показав, що ефективним діапазоном частот для дезінфекції матеріалів і речовин є мм діапазон довжини хвилі.

Як один з основних механізмів пригноблюючої дії КВЧ випромінювання на інфекційні мікроорганізми є концепція провідної ролі біологічних мембран у реакціях мікроорганізмів на мікрохвильове випромінювання. У даний час існує уявлення, згідно з яким пробій мембран патогенних мікроорганізмів під дією КВЧ випромінювання обумовлений особливостями поведінки локальних дефектів типу наскрізної пори в ліпідному шарі.

Слід зазначити, що дезінфекційні ефекти при застосуванні інформаційного ЕМП можливі тільки при оптимальному сполученні біотропних параметрів ЕМП (частота, щільність потоку потужності, експозиція та ін.).

Аналіз існуючих пристроїв для ЕМ обробки матеріалів і речовин показав, що вони працюють у дециметровому й сантиметровому діапазонах довжин хвиль і не можуть бути використані для дезінфекції та підігріву вовни в кипах у мм діапазоні. Тому для розігріву й дезінфекції кипів вовни в мм діапазоні довжини хвилі необхідно розробити нову мікрохвильову систему, а як джерело ЕМ енергії використати генератори дифракційного випромінювання. Проблема розробки пов'язана з рішенням теоретичних завдань, одне з яких повинно визначити біотронні параметри ЕМП для пригноблення інфекційних мікроорганізмів у вовні, а інше - визначити параметри ЕМП і конструктивні параметри системи для підігріву вовни з урахуваняям теплофізичних характеристик вовни, її вологості та забруднення.

У другому розділі проведено теоретичний аналіз зі знищення патогенних мікроорганізмів у вовні ЕМ випромінюванням мм діапазону з її підігрівом.

Дослідження механізму взаємодії ЕМП з мікроорганізмами неможливе без інформації про поширення цього поля усередині клітини мікроорганізмів. Це завдання може бути розглянуте, як завдання дифракції ЕМП на діелектричних тілах різної форми: сферичної, еліпсоїдної та циліндричної форм. Рішення даного завдання пов'язане з додатковими вимогами: співвідношенням лінійних розмірів мікроорганізмів і довжини падаючої хвилі, неоднорідністю або нашаруванням внутрішньої структури, зміною величини втрат у різних точках об'єкту. Таке рішення можна одержати для тіл, розміри яких малі в порівнянні з довжиною падаючої хвилі. У цьому випадку поля усередині й поза тілом, що розглядаються, можна розкласти по малому параметру: , де - лінійні розміри мікроорганізму; - довжина розглянутої хвилі.

Будемо досліджувати дифракцію ЕМ хвиль на малих тілах не на основі рівнянь Максвелла в диференціальній формі, а на основі інтегральних рівнянь, еквівалентних рівнянням Максвелла, разом із граничними умовами на границі шарів і самого тіла з навколишнім середовищем.

Нехай простір, у якому перебуває опромінюємий об'єкт, однорідний та характеризується діелектричною й магнітною проникностями і . Тоді ЕМП і у всіх точках цього простору буде описуватися інтегральними рівняннями Максвелла із граничними умовами на границі розділу двох середовищ:

(1)

де ;

і - електричне і магнітне поле відповідно, яке було б у точці при відсутності біологічного розсіювача.

Інтеграли в (1) поширюються на весь об'єм , зайнятий розсіюючим об'єктом.

Врахуванням розташування внутрішніх полів у мікроорганізмах по ступенях малого параметра і розкладання функцій , у ступеневий ряд були отримані з рівнянь (1) інтегральні рівняння для наближень нульового, першого й другого порядків:

(2)

де - характеристичний опір навколишнього середовища біооб'єкту.

Тому, що методика розв'язання рівнянь, визначаючих ЕМП однакова, то розглянемо нульове наближення. В якості характерної форми для тіл, що задовольняють умові , можна вважати еліпсоїд. У цьому випадку для розв'язання інтегральних рівнянь (2) була введена допоміжна функція, Ньютонівський потенціал, що є квадратичною функцією координат внутрішніх точок еліпсоїду:

, (3)

де , , - розміри півосей еліпсоїду;

, , - константи, що виражаються через еліптичні інтеграли:

, , , (4)

,

де - довільна константа.

Враховуючі, що номер 1 відповідає - компоненті, 2 - -компоненті, а 3 - -компоненті, одержуємо систему рівнянь для підрахунку компонентів внутрішнього поля:

(5)

Дана лінійна система неоднорідна і тому має розв'язання в тому випадку, якщо її детермінант відмінний від нуля.

Відповідно до методу Крамера розв'язання (5) має вигляд:

; ; . (6)

Враховуючі багатошаровість мікроорганізмів, що опромінюються, необхідно знати не тільки прониклі усередину їхніх тіл поля, але й розсіяні на них. Поля, розсіяні на біологічних об'єктах малих розмірів, можуть бути визначені за допомогою електричного потенціалу Герца.

Розкладаючи електричний потенціал Герца по малому параметру , було отримано вираз для нульового наближення:

. (7) де

(8)

Ньютонівський потенціал зовнішніх точок еліпсоїду;

; (9) - найбільший корінь рівняння

. (10)

Отримані результати дозволили одержати вираз для розсіяних полів у ближній і дальній зонах: для ближньої зони в нульовому наближенні:

(11)

для дальньої зони в нульовому наближенні:

(12)

де й - диференціальні оператори.

На основі теоретичних досліджень були перевірені чисельні розрахунки розподілу ЕМП у патогенних мікроорганізмах, які містить вовна. Розрахунки були перевірені в діапазоні частот 35,5.36,9 ГГц, щільності потоку потужності 1,25 мВт/см², для форми мікроорганізмів у вигляді витягнутого еліпсоїда з довжиною, що лежить у межах 1,5.8 мкм, і діаметром d - у межах 0,6.2 мкм. Результати розрахунку показують, що максимуми стрибка електричної напруженості поля змінюють своє положення в діапазоні частот поля від 35,9 ГГц до 36,025 ГГц, а значення самих максимумів лежить у межах 425.430 В/м. При такій величині напруженості, наведений потенціал на мембрани патогенних мікроорганізмів у вовні буде становити 150.160 мВ (рис. 1), що приведе до руйнування мембрани та загибелі мікроорганізмів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Залежність наведеного потенціалу ц на границі між покриттям і тілом патогенних мікроорганізмів у вовні від частоти що впливає ЕМП при постійній експозиції = 0,001 с для різних лінійних розмірів:

1 - l = 8 мкм d = 1,5 мкм;

2 - l = 6 мкм, d = 2 мкм;

3 - l = 3 мкм, d = 0,6 мкм;

4 - l = 1,5 мкм, d = 1 мкм.

Одним з основних елементів процесу первинної обробки вовни в зимовий період є її підігрів у кипах до 25⁰С і знищення шкідливих мікроорганізмів.

З вищесказаного слідує, що підігрів вовни в кипах бажано проводити таким способом, який мінімізує невиробничі втрати енергії, зберігає природні властивості вовни, знищує шкідливі мікроорганізми, буде екологічно безпечним, з одного боку, а з іншого, дозволить контролювати та регулювати хід процесу.

Всім цим вимогам відповідає ЕМ нагрівання вовни. Для кипи вовни, поміщеної в металеву камеру з розмірами: ширина 800 мм; висота 600 мм; довжина 900 мм був отриманий вираз для її підігріву.

, (13)

де ; і - функції ймовірності помилок;

; ;

- питома теплоємкість, Дж/кг•МК;

- щільність вовни в кипі, кг/м³;

- час протікання процесу, с;

- функція, що описує зміни температури вовни в кипі залежно від координат і часу, К;

- коефіцієнт пористості вовни;

- координата точки, м;

- щільність ЕМ енергії, що поглинається в одиницю часу вовною Вт/м³.

З аналізу отриманого виразу (13) було встановлено, що величина температури в кипах вовни буде становити не менш 25⁰С при впливі на вовну ЕМП із параметрами: частота 36 ГГц; щільність потоку потужності 1,25…1,5 мВт/м³; експозиція 120.180 с.

У третьому розділі було проведено теоретичне обґрунтування параметрів електронної системи для дезінфекції й підігріву вовни в кипах енергією ЕМП в мм діапазоні довжин хвиль. Теоретичний аналіз методів збудження призматичного резонатору з кипою вовни показав, що для його збудження варто використати два рупорних випромінювача з розмірами розкриву 400Ч600 мм, у кожному з яких поширюється хвиля Н₁₀. Для зменшення довжини рупорів при заданих поперечних розмірах, у розкриві рупорів містилася діелектрична лінза з малими втратами, яка має коефіцієнт заломлення . У результаті теоретичних досліджень і чисельного аналізу отриманих розв'язань були визначені основні параметри діелектричної лінзи із фторопласту: , , товщина лінзи мм, фокусна відстань мм. Застосування двох пірамідальних випромінювачів ЕМ енергії в мм діапазоні довжини хвилі із діелектричними лінзами вирішує завдання зменшення габаритних розмірів випромінювачів, але не вирішує завдання узгодження джерел енергії з навантаженням. У зв'язку з цим у розкривах рупорних випромінювачів були розміщені одномірні -поляризовані дифракційні гратки, підбором параметрів яких можна домогтися узгодженого збудження розглядаємого коливання в резонаторі. Для визначення основних параметрів дифракційних ґраток була розглянута модель резонатора, що складається із двох неоднорідностей 1 та 2 (рис. 2). Довжина резонатора дорівнює .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Модель призматичного резонатору з напівпрозорою торцевою стінкою

Для розглянутої моделі (рис. 2) позначимо коефіцієнти відбиття і передачі вхідної торцевої стінки резонатора () через:

, ,

а коефіцієнт відбиття другої торцевої стінки () через:

,

де , і - модулі, а , і - фази коефіцієнтів відбиття й передачі, відповідно.

Ступінь узгодження джерел ЕМ енергії із призматичним резонатором буде визначатися мінімальним значенням коефіцієнту відбиття призматичного резонатора. Теоретичний аналіз запропонованої моделі (рис. 2) дозволив одержати вираз для коефіцієнту відбиття призматичного резонатору.

, (14)

де і - резонансні коефіцієнти передачі по полю за прохід хвилі від однієї торцевої стінки до іншої, які визначаються втратами в металі, з якого виготовлений резонатор, і втратами в діелектрику, що заповнює резонансний об'єм.

У загальному випадку:

; ; ; ,

де і - втрати потужності в стінках резонатора та діелектрика, а - потужність, що надійшла в резонатор.

Модуль коефіцієнта відбиття визначався з виразу для -поляризованих граток, рис. 3.

, (15)

де ; ; ; , .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Дифракційні ґратки з брусів шарового перерізу

, (15)

де ; ; ; , .

Для визначення коефіцієнтів і були отримані вирази для потужностей , Р_д і відповідно, при збудженні в резонаторі коливання типу :

; (16)

; (17)

; (18)

де , Ом - активна частина поверхневого опору;

- резонансна частота, Гц;

- питома провідність, Сим/м;

.

Чисельні розрахунки з визначення коефіцієнта відбиття резонатора були проведені для параметрів:

; Сим/м; ; .

Результати розрахунку наведені на рис.4.

На графіку наведені криві, побудовані при різних значеннях параметру S_d:

крива 1 - ;

крива 2 - ;

крива 3 - .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Коефіцієнт відбиття резонатору в залежності від коефіцієнта відбиття дифракційної гратки, що утворює торцеву стінку резонатора

З наведеної графічної залежності слідує, що режим узгодженого збудження призматичного резонатора з кипою вовни для параметру S_д = 0,8878 буде мати місце при . З виразу для коефіцієнта відбиття графічно були визначені параметри ґраток, при яких коефіцієнт відбиття резонатора дорівнюватиме нулю; діаметр провідника мм; період ґраток мм.

У четвертому розділі наведені експериментальні дослідження з дезінфекції і підігріву вовни ЕМ енергією мм діапазону. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень була розроблена електронна система для дезінфекції й підігріву вовни в кипах.

До складу розробленої системи входять: два генератори дифракційного випромінювання з вихідною потужністю 250 Вт кожний і перебудовою частоти 35,0.37 ГГц; два рупорних випромінювачі з розмірами 397Ч600 мм і довжиною конусної частини 1000 мм; дві діелектричні лінзи із фторопласта товщиною 142,5 мм і фокусною відстанню 875,5 мм; дві одномірні -поляризовані дифракційні ґратки з періодом 2,5 мм і діаметром провідників 2 мм, які розміщалися в пазах для діелектричних лінз; призматичного резонатора для кип вовни з розмірами 800Ч600Ч900 мм. Застосування діелектричних лінз дозволило зменшити габаритні розміри рупорних випромінювачів, а дифракційні ґратки допомогли одержати коефіцієнт відбиття призматичного резонатора, який дорівнює нулю.

У дослідженнях з мікроорганізмами у вовні були використані уніфіковані методики, затверджені Мінздравом. Для визначення кількісного і якісного складу мікрофлори в кипах вовни був застосований "глибинний" метод посіву. Для визначення патогенної мікрофлори у вовні здійснюється посів на спеціальні диференціальні середовища: вісмутсульфатний агар, магнієве середовище, середовище Эндо, Плоскорєва, Чистовича, м'ясопептонний агар по Шукевичу та ін.

Для кількісного визначення мікроорганізмів була досліджена вовна, що поставляється на комбінат "Тканини-Поділля". Дослідження проводили в Кам'янець-Подільській районній державній лабораторії ветеринарної медицини.

У досліджуваній вовні були виділені наступні мікроорганізми: E. Coli (кишкові палички); Cereus (псевдосибіроязвенна паличка); S. epidermidis (епідермальний стафілокок); S. saprophiticus (сапрофітний стафілокок); S. aureus (золотистий стафілокок); Listeria (листерії); Nesseria (нейсерії); Enterоcocus (кишкові коки); Subtilis; спорові (палички, що містять спори, стійкі в зовнішнім середовищі); дріжджові клітини; тетракоки.

З виявлених у вовні мікроорганізмів найнебезпечнішими для людини є стафілококи. Стафілококи є найбільш біохімічно активними мікроорганізмами, які можуть виробляти екзотоксини.

Тому для визначення біотропних параметрів ЕМП, при яких буде гноблення стафілококів і інших мікроорганізмів у вовні, був проведений багатофакторний експеримент із мікроорганізмами золотистого стафілокока.

При проведенні експериментальних досліджень прийняті такі значення факторів: частота ЕМП змінюється від 35,3 до 36,3 ГГц; експозиція змінюється від 3 до 5 хв.; густина потоку потужності від 2,0 до 4 мВт/см².

Після проведення вимірів і розрахунків отримане рівняння регресії, пов'язане зі знищенням стафілококів ЕМП КВЧ діапазону:

(18)

Для знаходження оптимальних параметрів процесу розв'язано систему рівнянь, які отримали прирівнюванням до нуля значень компонентів градієнта. Це дозволило отримати наступне значення факторів в оптимальній точці: ; ; , що відповідає таким значенням натуральних параметрів: частота ЕМП - 35,98 ± 0,02 ГГц, щільність потоку потужності - 2 ± 0,2 мВт/см², експозиція 3 ± 0,2 хв.

Виробничі випробування електронної системи для дезінфекції й підігріву вовни в кипах проводилися на комбінаті "Тканини Поділля" в 2008 році. Метою виробничих випробувань було визначення залежності кількості мікроорганізмів у вовні та її температури від часу впливу й потужності ЕМВ на частоті 36 ГГц.

Проведені випробування показують, що обробка кип вовни ЕМП із параметрами: частота 36 ГГц; потужність джерела випромінювання 0,25 кВт; час експозиції 180 с призводить до знищення більшості мікроорганізмів у вовні й до зменшення кількості s. Enterоcocus, спор і стафілококів S. aureus до 1250 шт. у загальній кількості. Температура в кипі вовни при таких параметрах ЕМП становить усього 15⁰С.

Зменшення часу опромінення ЕМП кип з вовною до 60 с при потужності джерел ГДІ 0,5 кВт також не призводить до повного знищення мікроорганізмів у вовні, а приріст температури становить 8⁰С.

Опромінення кип з вовною ЕМП із параметрами: частота 36 ГГц; потужність 0,5 кВт; експозиція 3 хв. призводить до повного знищення мікроорганізмів у вовні, а приріст температури становить 38⁰С.

Від впровадження електронної системи для дезінфекції й підігріву вовни на комбінаті "Тканини Поділля" був отриманий прибуток у розмірі 4300 грн. на 1 т вовні. Прибуток був отриманий за рахунок підвищення продуктивності праці на 30.35% і скорочення витрат з оплати лікарняних листів на 80%.

Висновки

У дисертаційній роботі, на основі теоретичних й експериментальних досліджень ЕМВ у мм діапазоні довжин хвиль, розроблено ЕМ технологію й електронну систему для дезінфекції й підігріву вовни в технологічному процесі при її класировці. Впровадження отриманих результатів на підприємствах, що використовують вовняне волокно, дозволить виключити вплив патогенних мікроорганізмів у вовні на здоров'я робітників і підвищить продуктивність праці.

1. Вовну при її первинній обробці перед класировкою і сортуванням необхідно розігрівати та дезінфікувати тому, що в ній може втримуватися до 700 млн. бактерій в 1 гр, у тому числі й бактерії, які можуть призвести до летального результату людини (Сибірська виразка, лихоманка Ку та ін.).

2. Теоретичні дослідження показали, що для знищення патогенних мікроорганізмів у кипах вовни необхідно використати ЕМП КВЧ діапазону з параметрами: частота 35,3…36,3 ГГц; щільність потоку потужності 1,25 мВт/cм², експозиція с.

3. Підвищення температури в кипі з вовною до 25…40⁰С можливе при впливі на вовну ЕМП із параметрами: частота 36 ГГц; щільність потоку потужності 1,25.1,5 мВт/см³; експозиція 120…180 с.

4. Для збудження призматичного резонатора з розмірами 800Ч600Ч900 мм джерелом ЕМ коливань із довжиною хвилі 8,333 мм необхідно застосовувати 2 рупорних випромінювачі з розмірами 397Ч600 мм і довжиною конусної частини 1000 мм, у розкриві яких поміщені діелектричні лінзи із фторопласта з , .

5. Для узгодження по потужності джерел випромінювання з резонатором, у якому перебуває кипа вовни, необхідно в розкриві рупорних випромінювачів розташовувати одномірні -поляризовані дифракційні ґратки з періодом 2,5 мм і діаметром провідників 2 мм.

6. Потужність, необхідну для пригноблення патогенних мікроорганізмів у вовні при її розігріві, можна одержати з використанням двох дифракційних генераторів з вихідною потужністю 250 Вт кожний, у діапазоні частоти 35,3.36,3 ГГц.

7. Для дезінфекції й підігріву вовни в кипах необхідно використати електронну систему з параметрами:

вихідна частота джерела вимірів ЕМ енергії 35,98 ± 0,02 ГГц;

діапазон перебудови частоти генератора 35,0…37,0 ГГц;

вихідна потужність від двох ГДІ - 500 Вт;

розміри рупорних випромінювачів 397Ч600 мм із довжиною конусної частини 1000 мм;

електрофізичні параметри діелектричної лінзи в розкриві рупорного випромінювача , ;

параметри -поляризованих дифракційних ґраток: період 2,5 мм, діаметр провідників 0,2 м;

розміри призматичного резонатора для кип вовни 800Ч600Ч900 мм.

8. Підвищення продуктивності праці на 30.35% та одержання прибутку в розмірі 4,3 тис. грн. на 1 т вовни дезінфекції й підігріву за рахунок впровадження в технологічному циклі переробки вовни електронних систем ЕМВ мм діапазону довжини хвилі с параметрами: частота 36 ГГц; щільність потоку потужності 1,25…1,5 мВт/см³; експозиція 120…180 с.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Потапский П.В. Теоретическое обоснование процесса возбуждения призматического резонатора с кипой шерсти в мм диапазоне длин волн прямоугольным волноводом / П.В. Потапский, Л.Н. Михайлова // Общегосударственный научно-производственный журнал. Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2009. - № 6 (64). - С.36 - 41.

2. Потапский П.В. Эффективное возбуждение колебаний мм диапазона в призматическом резонаторе рупорными излучателями / П.В. Потапский, Л.Н. Михайлова // Общегосударственный научно-производственный журнал. Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2009. - № 7 (65). - С.34 - 38.

3. Потапский П.В. Возбуждение колебаний в призматическом резонаторе рупорными облучателями с -поляризованной дифракционной решеткой / П.В. Потапский, Л.Н. Михайлова // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № 4/10 (40). - С.14 - 17.

4. Потапский П.В. Анализ математической модели подогрева шерсти в кипах электромагнитной энергией / П.В. Потапский, Л.Н. Михайлова // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № 3 (39). - С.27 - 30.

5. Потапский П.В. Анализ взаимодействия электромагнитных полей с патогенными микроорганизмами в шерсти / П.В. Потапский // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. - 2009. - Вип.86. - С.115 - 119.

6. Потапский П.В. Определение электромагнитных полей, рассеянных микроорганизмами в шерсти / П.В. Потапский, И.А. Сасимова, Н.Г. Косулина // Вестник Харьковского национального политихнического университета "ХПИ". - 2010. - Вып.5. - С.57 - 63.

Аннотация