Improving the efficiency of drying grain seeds by microwave radiation based on the properties of the surface waveguide

The IRN AP13268797 project is being implemented within the framework of grant funding for young scientists under the Zhas Galym project funded by the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan.

Project Manager (postdoctoral fellow): Ritter E.S., PhD (email kritter315@gmail.com , h-index=1, Scopus Author ID: 57217089944, ORCID: 0000-0002-1201-1247).

Scientific consultant: A.A. Savostin, Ph.D., Associate Professor (e-mail alexey.savostin@gmail.com , h-index = 2 (Scopus), Scopus Author ID: 57190305485, ORCID: 0000-0002-5057-2942).

Terms of execution: 01.05.2022 - 31.12.2024

Duration: 32 months.

Total amount of financing: 18,990,434 tenge.

The purpose of the project: Creation of new methods of irradiation with microwave energy of grain seeds to increase their drying efficiency using an open surface waveguide and an energy concentration device at the drying facility; development of design options for microwave installations for emergency, low-cost grain drying of small volumes.

Expected results: The analysis of the model of ultrahigh-frequency irradiation of grain material will be carried out. Selection of the optimal frequency range when drying types of grain crops. Methods of uniform irradiation of grain material with microwave energy. Solving the problem of local overheating of grain in drying plants. Application for a patent for a utility model. A model of an installation for microwave grain drying based on a surface waveguide.

Project description: In this project, the possibility of using a higher-quality microwave drying of grain seeds is proposed by developing new tools that allow creating a uniform distribution of the electromagnetic field of the microwave range over the entire volume of grain material.

The elimination of even some of the known disadvantages of drying plants currently used to reduce the moisture content of seeds of various cereals, in the elevator, food industry and agriculture, will solve a number of urgent practical problems of the development of the agro-industrial complex of Kazakhstan.

Проделанная работа:

По результатам научно-исследовательской работы выполнены следующие задачи:

1. Разработана конструкция многовходового устройства возбуждения на основе двух полуволновых вибраторов с запирающим четверть волновым стаканом на конце, для гальванической развязки с фидером.

2. Проведен ряд практических экспериментов с применением маломощных сверхвысокочастотных генераторов для возбуждения поверхностной волны.

3. Предложена схема размещения радиальных вибраторов вокруг провода поверхностного волновода. К каждому такому вибратору подключен автономный сверхвысокочастотный генератор, а сложение мощностей осуществляется непосредственно в теле облучаемого объекта.

4. Проведено исследование неоднородностей в поле поверхностного волновода, показавшее их способность переизлучать Т - волну независимо от характера проводимости. Разница состоит только в том, что переизлучаемое поле проводников интенсивнее, чем диэлектриков.

5. На основе проведенных исследований показано, что с конструктивной точки зрения более эффективной системой возбуждения поверхностных волн с помощью продольной составляющей является отражатель в виде плоского диска, имеющий определенную связь с проводом через четвертьволновой запирающий стакан, который непосредственно одевается на провод линии поверхностных волн. Стоит отметить, что четверть волновой стакан представляет собой отрезок металлической трубы, через которую осуществляется запитывание устройства возбуждения от сверхвысокочастотного генератора.

6. Разработаны новые схемотехнические и конструктивные решения, позволяющие использование многовходового устройства возбуждения в качестве конструкции для поглощающих нагрузок для рассеивания высоких мощностей. Данный вариант конструкции позволяет распределить результирующую мощность в виде тепла на ряд нагрузок меньшей мощности.

7. Проанализированы способы возбуждения волны Е00. Предложен вариант суммирования энергии от ряда некогерентных сверхвысокочастотных генераторов с помощью вибраторного устройства возбуждения поверхностных волн. Предложенный способ сложения мощностей позволит наращивать значения результирующей мощности с помощью относительно маломощных генераторов.

8. В результате проведения экспериментальных исследований было установлено, что при установке около системы возбуждения плоского рефлектора в виде диска, достигается однонаправленное распространение поверхностных волн. При этом появляется возможность крепления элементов возбуждения к рефлектору.

 List of articles:

1. Ritter E., Kismereshkin V., Cieslik J., Savostin A., Ritter D., Aytulina A., Kasimov I., Bekkozhina B. Uniform large sized lumber drying system using mw radiation and basing on a single wire E00 wave energy transmission line // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. Vol. 4, No. 8 (106), August 2020, PP. 295-300. DOI:10.15587/1729-4061.2020.210752. https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85096636527&origin=resultslist (Scopus Percentile – 56%);
2. Cieslik J., Kismereshkin V., Ritter E., Savostin A., Ritter D., Nabiyev N. Installation for concentrated uniform heating of objects by microwave radiation // International Journal of Electronics and Telecommunications. Vol. 66, No 2. May 2020. PP. 295-300. DOI: 10.24425/ijet.2020.131877. https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85086143992&origin=resultslist (Scopus Percentile – 28%);
3. Ritter E.S., Savostin A.A., Ritter D.V. System of distribution of ultrahigh-frequency energy to irradiated objects // Bulletin of PSU. Energy Series, Pavlodar, 2019, No. 1 - pp. 355-360 (https://vestnik.psu.kz/images/pdf/energetika/energetika_1_2019.pdf#page=178 );
4. Ritter E.S., Kismireshkin V.P., Koshekov K.T., Ritter D.V. Industrial heating based on a single-wire transmission line of microwave energy // Bulletin of the Almaty University of Energy and Communications, Almaty-2018 No. 4(4) (43), pp. 102-107 (https://vestnik.aues.kz/index.php/none/issue/view/50/52 );
5. Ritter E.S., Koshekov K.T., Ritter D.V. Ultrahigh-frequency drying of wood by a waveguide field based on a single-wire transmission line of electromagnetic energy // Bulletin of the Kazakh Academy of Transport and Communications named after M. Tynyshpayev No.2. 2019. pp. 268-274 (https://alt.edu.kz/wp-content/assets/docs/Наука/Вестник/2019/2019%20-%202 (109).pdf );
6. Kismireshkin V.P., Ritter E.S., Zykova N.V., Ritter D.V. Investigation of the effectiveness of a system of resonant vibrators for uniform distribution of the E00 wave field // Bulletin of PSU. Energy Series, Pavlodar 2020, No. 2 - pp. 272-277 (http://rmebrk.kz/journals/6143/71136.pdf ).
7. E. Ritter, A. Savostin, D. Ritter, G. Savostina, A. Smirnov, S. Moldakhmetov Application of a surface waveguide in microwave drying units of the agribusiness industry. International Journal of Agronomy, Published 12 March 2024, Volume 4, Article ID 3689527, https://doi.org/10.1155/2024/3689527
8. Риттер Е.С., Савостин А.А., Риттер Д.В., Савостина Г.В., Смирнов А.П., Микроволновая сушка зерновых культур на основе свойств поверхностного волновода. Вестник «Труды университета»  Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова, г. Караганда 2022 3(88), С. 385-389. 
9. Риттер Е. С., Савостин А. А., Риттер Д. В., Савостина Г. В., Фокусировка микроволнового излучения с помощью зеркальных рефлекторов, ВЕСТНИК Торайгыров университета, Энергетическая серия, ISSN 2710-3420, № 3 (2022), с.165-176 
10. Смирнов А.П., Риттер Е. С., Савостин А. А., Риттер Д.В., Молдахметов С.С., Численное моделирование потенциометрического измерителя уровня электропроводной среде и улучшение конструкции измерителя. ВЕСТНИК Торайгыров университета, Энергетическая серия, ISSN 2710-3420, № 4 (2023), С. 323-334.
11. Смирнов А.П., Риттер Д.В., Савостин А. А., Риттер Е. С., Разработка устройства для определения границы  перехода жидкостей с разными проводимостями. Вестник Академии Национальной гвардии Республики Казахстан, Петропавловск 2024, №51(1), С. 302-307.
12. Риттер Е. С., Савостин А. А., Риттер Д.В Молдахметов С.С., Петров П.А., Повышение равномерности распределения электромагнитного поля в микроволновых зерносушилках. Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций имени М. Тынышпаева №1. Алматы 2024. С. 395-403.
13. Смирнов А.П., Риттер Е. С., Савостин А. А., Молдахметов С.С., Моделирование потенциометрического датчика уровня и оценка погрешности. Вестник университета Шакарима технические науки. Семей, 2024, № 1 (13), С 28-38.
14. Смирнов А.П., Риттер Е. С., Риттер Д.В., Савостин А. А., Молдахметов С.С., Моделирование потенциометрического уровнемера в неоднородной жидкости и оценка погрешности. Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций имени М. Тынышпаева №1. Алматы 2024. С. 404-413.
15. Патент №7771 от 27.01.2023 на полезную модель «Способ микроволновой сушки семян зерновых культур».