agroengineeringАгроинженерияAgricultural Engineering (Moscow)2687-11492687-1130РГАУ-МСХА10.26897/2687-1149-2024-1-73-79agroengineering-736Research ArticleЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВАPOWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTIONИсследование на компьютерной модели влияния элементов конструкции и влажности зерна на добротность СВЧ-конвективной зоныStudy of a computer model of the influence of structural elements and grain moisture on the Q-factor of the microwave-convective zonehttps://orcid.org/0000-0003-3147-659XВасильевА. А.VasilievA. A.

Алексей Алексеевич Васильев, канд. техн. наук, старший научный сотрудник

109428

1‑й Институтский проезд, 5

Москва

Aleksei A. Vasiliev, CSc(Eng), Senior Researcher

109428

1st Institutsky Proezd Str., 5

Moscow

Lex.of@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3526-4474ТихомировД. А.TikhomirovD. A.

Дмитрий Анатольевич Тихомиров, чл.‑ корр. РАН, д‑р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник

109428

1‑й Институтский проезд, 5

Москва

Dmitriy A. Tikhomirov, RAS Corresponding Member, DSc (Eng), Professor, Chief Researcher

109428

1st Institutsky Proezd Str., 5

Moscow

Tihda@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7988-2338ВасильевА. Н.VasilievA. N.

Алексей Николаевич Васильев, д‑р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник

109428

1‑й Институтский проезд, 5

Москва

Aleksei N. Vasiliev, DSc (Eng), Professor, Chief Research Engineer

109428

1st Institutsky Proezd Str., 5

Moscow

vasilev-viesh@inbox.ruФедеральный научный агроинженерный центр ВИМРоссияFederal Scientific Agroengineering Centre VIMRussian Federation2024090220242617379Copyright © Васильев А.А., Тихомиров Д.А., Васильев А.Н., 20242024Васильев А.А., Тихомиров Д.А., Васильев А.Н.Vasiliev A.A., Tikhomirov D.A., Vasiliev A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://agroengineering.timacad.ru/jour/article/view/736

   Сушку зерна после уборки урожая часто проводят в конвективных зерносушилках с СВЧ-воздействием. При проектировании СВЧ-устройств с резонаторами стремятся к достижению максимальной добротности СВЧ-конвективных зон. В связи с отсутствием исследований по влиянию влажности зерна и элементов, расположенных в СВЧ-конвективной зоне, на её добротность авторы статьи исследовали данные зависимости на компьютерной модели. С помощью програмы CST Microwave Studio 2019 получены данные об изменении добротности резонаторов. Применяли методы Time Domain Solver для выполнения расчёта СВЧ-активной зоны в широком диапазоне частот и Eigenmode Solver – для нахождения собственных мод резонансных структур. Компьютерное моделирование проводили в два этапа. На первом этапе оценивали влияние на величину добротности размещения в СВЧ-конвективной зоне волноводов. На втором этапе исследовали изменение добротности СВЧ-конвективной зоны с волноводами и зерном различной влажности (14, 24 и 26 %). Установлена существенная зависимость добротности зоны обработки зерна от особенностей конструкции и размещения в ней технологических элементов, а также от влажности обрабатываемого зерна и его температуры. Авторами дана рекомендация к проектированию СВЧ-конвективной зоны для технологических процессов, заключающаяся в том, чтобы стремиться не к достижению максимума добротности, а к обеспечению равномерного распределения поля СВЧ в активной зоне.

   Grain drying after harvesting is often carried out in convective grain dryers with microwave exposure. When designing microwave devices with resonators strive to achieve the maximum efficiency (Q-factor) of microwave convection zones. Due to the lack of studies on the influence of grain humidity and elements located in the microwave convective zone on its Q-factor, the authors investigated these dependences on a computer model. Using the CST Microwave Studio 2019 software, the authors obtained the data on the change in the Q-factor of the resonators. Time Domain Solver methods were used to perform the calculation of the microwave active zone in a wide range of frequencies, and Eigenmode Solver methods – to find the eigenmodes (natural modes) of resonant structures. Computer modeling was carried out in two stages. At the first stage, the authors evaluated the influence on the Q-factor value of the placement in the microwave convective zone of the waveguides. At the second stage, the authors analyzed the change in the Q-factor of microwave convective zone with waveguides and grain of different moisture content (14, 24, and 26 %). The study established significant dependence of the Q-factor of the grain processing zone on the design features and placement of technological elements in it, as well as on the humidity of the processed grain and its temperature. The authors recommended that when designing microwave convective zone for technological processes, the goal should be not to achieve the maximum Q-factor, but to ensure uniform distribution of the microwave field in the active zone.

добротность СВЧ-конвективной зоныполе СВЧСВЧ-активная зонасушка зернавлажность зернарезонатордобротностькомпьютерное моделированиепроектирование СВЧ-конвективной зоныQ-factor of microwave convection zonemicrowave fieldmicrowave active zonegrain dryinggrain moistureresonatorQ-factor (efficiency)computer modelingmicrowave convection zone designReferencesBruce R.M., Atungulu G.G., Sadaka S., Smith D. Impact of specific energy input of a 915 MHz microwave dryer on quality, functional, and physicochemical properties of different rice cultivars. Cereal Chemistry. 2021;98(3):557‑570. doi: 10.1002/cche.10398Bruce R.M., Atungulu G.G., Sadaka S., Smith D. Impact of specific energy input of a 915 MHz microwave dryer on quality, functional, and physicochemical properties of different rice cultivars. Cereal Chemistry. 2021;98(3):557‑570. doi: 10.1002/cche.10398Abano E.E. Kinetics and quality of microwave‑assisted drying of mango (Mangifera indica). International Journal of Food Science. 2016;2037029. doi: 10.1155/2016/2037029Abano E.E. Kinetics and quality of microwave‑assisted drying of mango (Mangifera indica). International Journal of Food Science. 2016;2037029. doi: 10.1155/2016/2037029Kovalev A.V., Spiridonov O.B., Lysenko I.E., Ezhova O.A. Method and system of pre‑sowing microwave treatment of agricultural crop seeds. International Journal of Engineering Research and Technology. 2020;13(11):3964‑3969.Kovalev A.V., Spiridonov O.B., Lysenko I.E., Ezhova O.A. Method and system of pre‑sowing microwave treatment of agricultural crop seeds. International Journal of Engineering Research and Technology. 2020;13(11):3964‑3969.Soyer Ay., Kolsarici N., Candoğan K. Effect of conventional and microwave cooking methods on some nutritive contents and quality properties of chicken meat. Turkish Journal of Agriculture and Forestry. 1999;23(8):289‑296. https://journals.tubitak.gov.tr/agriculture/vol23/iss8/6Soyer Ay., Kolsarici N., Candoğan K. Effect of conventional and microwave cooking methods on some nutritive contents and quality properties of chicken meat. Turkish Journal of Agriculture and Forestry. 1999;23(8):289‑296. https://journals.tubitak.gov.tr/agriculture/vol23/iss8/6Vasil’yev A.N., Dorokhov A.S., Budnikov D.A., Vasil’yev A.A. Trends in the use of the microwave field in the technological processes of drying and disinfection of grain. AMA, Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. 2020;51(3):63‑68. EDN: GGWPRQVasil’yev A.N., Dorokhov A.S., Budnikov D.A., Vasil’yev A.A. Trends in the use of the microwave field in the technological processes of drying and disinfection of grain. AMA, Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. 2020;51(3):63‑68. EDN: GGWPRQСабашкин В.А., Торопов В.Р. Выбор зерноочистительно‑сушильных комплексов в зонах с высокой влажностью зерна // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2018. Т. 48, № 3. С. 58‑64. doi: 10.26898/0370-8799-2018-3-8Sabashkin V.A., Toropov V.R. The choice of grain cleaning‑and‑drying units in areas with high grain humidity. Siberian Herald of Agricultural Science. 2018;48(3):58‑64. (In Rus.) doi: 10.26898/0370-8799-2018-3-8Jia Ch., Wang L., GuoW., Liu Ch. Effect of swing temperature and alternating airflow on drying uniformity in deep‑bed wheat drying. Applied Thermal Engineering. 2016;106:774‑783. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.06.056Jia Ch., Wang L., GuoW., Liu Ch. Effect of swing temperature and alternating airflow on drying uniformity in deep‑bed wheat drying. Applied Thermal Engineering. 2016;106:774‑783. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.06.056Жолобов Н.В., Чертков Г.Я., Сагайдачный Д.А. Обзор и анализ сушилок зерна // Сборник статей Международной научно‑практической конференции «Инновационные технологии‑2019». 2019. С. 26‑30. EDN: KCDYHDZholobov N.V., Chertkov G.Ya., Sagaidachniy D.A. Review and analysis of grain dryers. In: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference “Innovative Technologies – 2019”. 2019:26‑30. EDN: KCDYHD (In Rus.)Кирмасов В.Ю., Баскаков И.В., Оробинский В.И., Болотов Д.Б., Распопов А.С., Кондобарова Е.А., Шарова Ю.А. Обзор конструктивных схем зерносушилок // Сборник трудов Национальной научно‑практической конференции «Прикладные вопросы физики (к 120‑летию со дня рождения академиков И.В. Курчатова и А.П. Александрова). Воронеж: Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I, 2022. С. 318‑325. EDN: ZJZSZFKirmasov V.Yu., Baskakov I.V., Orobinsky V.I., Bolotov D.B., Raspopov A.S., Kondobarova E.A., Sharova Yu.A. Overview of design schemes of grain dryers. In: Proceedings of the National Scientific and Practical Conference “Applied issues in physics (to the 120<sup>th</sup> anniversary of Academicians I.V. Kurchatov and A.P. Aleksandrov). Voronezh, Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great, 2022:318‑325. EDN: ZJZSZF (In Rus.)Кожухов В.А., Ушкалов В.Ю. Рециркуляционная зерносушилка шахтного типа с активным вентилированием и СВЧ‑активацией зерна // Сборник материалов Международной научно‑практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития». Красноярск: Красноярский государственный аграрный университет, 2018. С. 118‑121. EDN: YACVADKozhukhov V.A., Ushkalov V.Yu. Recirculating grain dryer of mine type with active ventilation and microwave activation of grain. In: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference “Science and Education: Experience, Problems, Development Prospects”. Krasnoyarsk, Krasnoyarsk State Agrarian University. 2018:118‑121 EDN: YACVAD (In Rus.)Gursoy S., Choudhary R., Watson D.G. Microwave drying kinetics and quality characteristics of corn. International journal of agricultural and biological engineering. 2013;6(1):90‑99. doi: 10.3965/j.ijabe.20130601.009Gursoy S., Choudhary R., Watson D.G. Microwave drying kinetics and quality characteristics of corn. International journal of agricultural and biological engineering. 2013;6(1):90‑99. doi: 10.3965/j.ijabe.20130601.009Shivhare U.S., Raghavan G.S.V., Bosisio R.G. Microwave drying of corn. 1. Equilibrium moisture content. Transactions of the ASAE. 1992;35(3):947‑950. doi: 10.13031/2013.28683Shivhare U.S., Raghavan G.S.V., Bosisio R.G. Microwave drying of corn. 1. Equilibrium moisture content. Transactions of the ASAE. 1992;35(3):947‑950. doi: 10.13031/2013.28683Vasilyev A.A., Vasilyev A.N., Budnikov D.А. Using modeling to select the type of microwave field emitter for dense‑layer grain dryers. Applied Sciences. 2023;13(16):9070. doi: 10.3390/app13169070Vasilyev A.A., Vasilyev A.N., Budnikov D.А. Using modeling to select the type of microwave field emitter for dense‑layer grain dryers. Applied Sciences. 2023;13(16):9070. doi: 10.3390/app13169070Vasiliev A.N., Goryachkina V.P., Budnikov D. Research methodology for microwave‑convective processing of grain. International Journal of Energy Optimization and Engineering (IJEOE). 2020;9(2):1‑11. doi: 10.4018/IJEOE.2020040101Vasiliev A.N., Goryachkina V.P., Budnikov D. Research methodology for microwave‑convective processing of grain. International Journal of Energy Optimization and Engineering (IJEOE). 2020;9(2):1‑11. doi: 10.4018/IJEOE.2020040101Mallanna S.D., Viswanath K. Performance analysis of resonators for microwave applications. International Conference on Electrical, Electronics, Communication, Computer and Optimization Techniques (ICEECCOT). Msyuru, India, 2018. Рp. 741‑745. doi: 10.1109/ICEECCOT43722.2018.9001448Mallanna S.D., Viswanath K. Performance analysis of resonators for microwave applications. International Conference on Electrical, Electronics, Communication, Computer and Optimization Techniques (ICEECCOT). Msyuru, India, 2018. Рp. 741‑745. doi: 10.1109/ICEECCOT43722.2018.9001448Кабдин Н.Е., Андреев С.А. Обеспечение равномерности СВЧ‑обработки сельскохозяйственных материалов в объемном резонаторе // Международный технико‑экономический журнал. 2018. № 5. С. 42‑49. EDN: YUZNUDKabdin N.E., Andreev S.A. Ensuring the uniformity of microwave processing of agricultural materials in volumetric resonator. International Technical and Economic Journal. 2018;5:42‑49. EDN: YUZNUD (In Rus.)Nelson S.O. Dielectric properties of agricultural materials and their applications. Academic Press, 2015. 229 p.Nelson S.O. Dielectric properties of agricultural materials and their applications. Academic Press, 2015. 229 p.Черкашин Д.Е., Хакимов Н.Т. Использование пакета программ CST MICROWAVE STUDIO для расчёта эффективной площади рассеивания различных объектов // Сборник научных трудов по материалам II Международной научно‑практической конференции «Интеграционные процессы в современной науке: новые подходы и актуальные вопросы». Анапа, 2022. С. 62‑66. EDN: XYJPKSCherkashin D.E., Khakimov N.T. Using the CST MICROWAVE STUDIO software package to calculate the effective dispersion area of various objects. In: Proceedings of the II International Scientific and Practical Conference “Integration Processes in Modern Science: New Approaches and Current Issues”. Anapa, 2022:62‑66. EDN: XYJPKS (In Rus.)Васинкина Е.Ю., Тригорлый С.В., Кадыкова Ю.А., Калганова С.Г. Моделирование СВЧ‑термообработки композиционных материалов в камерах резонаторного типа // Вестник технологического университета. 2022. Т. 25, № 5. С. 107‑110. EDN: EMPHHHVasinkina E.Yu., Trigorly S.V., Kadykova Yu.A., Kalganova S.G. Modeling of microwave heat treatment of composite materials in resonator‑type chambers. Vestnik Tekhnologicheskogo Universiteta. 2022;25(5):107‑110. EDN: EMPHHH (In Rus.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.