Обработка пищевых продуктов инфракрасным излучением

Инфракрасное излучение достаточно широко применяется различных отраслях промышленности: кондитерской, хлебопекарной, молочной, мясной и т.д.

Поток инфракрасного излучения, взаимодействуя с материалом, преобразуется в теплоту. Способность материала поглощать инфракрасные лучи зависит от его оптических свойств и длины волны излучения.

При нагревании и сушке влажных материалов инфракрасными лучами лучистая энергия превращается в теплоту, причем явления тепло- и массообмена развиваются как вне материала (в рабочей камере аппарата), так и внутри его.

Инфракрасное излучение является электромагнитным изучением, распространяющимся в пространстве и переносящим энергию. Оно излучается источником (генератором) и поглощается объектом облучения.

Излучение и поглощение энергии происходит не непрерывно, а дискретно – отдельными порциями (квантами) и описывается законом Планка:

,

где  – квант энергии;  – частота излучения, с^-1; h – постоянная Планка, Джс,

.

При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомом вещества, передает ему свою энергию, а сам исчезает.

Скорость распространения колебаний

.

Монохроматическим называется излучение определенной частоты.

Интегральным (полным) называется суммарное излучение по всем частотам от 0 до .

Инфракрасному излучению в спектре электромагнитных волн соответствует диапазон длин волн от 0,76 до 750 мкм, который условно делят на три группы: длинноволновый – 750...25 мкм; средневолновый – 25.. .2,5 мкм; коротковолновый – 2,5.. .0,76 мкм.

Инфракрасное излучение можно охарактеризовать как колебательный процесс.

Длина волны излучения связана с частотой и периодом колебаний

,

где с – скорость света, км/с ( км/с); f – частота колебаний, Гц.

В общем случае поток излучения Ф (Вт), произвольно падающий на поверхность материала, претерпевает ряд изменений одна его часть Ф_о отражается от поверхности материала; другая – Ф_п поглощается материалом, а третья – Ф_пр представляет собой проникающее излучение (рис. 1):

.

Величины слагаемых, входящих в это равенство, зависят от свойства материала и параметров источника излучения.

Рис. 1. Схема переноса энергии инфракрасного излучения в материале

Взаимодействие материала с лучистым потоком характеризует ряд коэффициентов. Коэффициент отражения  представляет собой отношение отраженного от поверхности продукта лучистого потока к полному потоку излучения:

.

Коэффициент поглощения  – это отношение поглощенного продуктом лучистого потока к полному потоку излучения:

.

Коэффициент пропускания  выражает отношение потока лучистой энергии, проникающей через материал, к полному лучистому потоку

.

Из вышеприведенных соотношений следует

.

Тело, поглощающее при любой температуре все падающие на него лучи ( = 1,  = 0,  = 0), называется абсолютно черным.

Если тело отражает все падающие на него лучи (= 1,  = 0,  = 0), оно называется зеркальным (если при этом отражение происходит в соответствии с законом отражения геометрической оптики) или абсолютно белым (если отражение диффузное, т.е. отраженный от шероховатой поверхности, рассеивается во всех направлениях). Если тело пропускает все падающие на него лучи ( = 1,  = 0,  = 0), то оно называется абсолютно проницаемым (прозрачным), или диатермичным.

Приведенные характеристики являются интегральными. Оптические характеристики зависят от длины волны и температуры (для реальных материалов). В связи с этим, помимо интегральных, различают спектральные характеристики, соответствующие определенным длинам волн.

Серым называется тело, поглощательная способность которого одинакова для всех частот (длин волн) и зависит только от температуры материала и состояния поверхности. Реальные тела не являются абсолютно черными. Вместе с тем все материалы, подвергаемые обработке при терморадиационных процессах (сушка, обжарка, выпечка), не являются и серыми телами. Для этих тел характерна ярко выраженная спектральность отражения, поглощения и пропускания, т.е. для них характерна избирательность оптических характеристик в различных областях спектра.

Для малопрозрачных тел, а к ним можно отнести часть пищевых продуктов, проникающее излучение практически отсутствует (Ф_пр=0). Тогда

.

Большинство влажных материалов обладает значительной поглощательной способностью, что обусловлено пористостью, наличием на поверхности окисленных или масляных пленок и т.п.

В общем случае поглощательная способность зависит от состояния и химического состава поверхности и формы тела.

Степенью черноты тела е называется отношение интегральной излучательной способности этого тела Е (Вт/м²) к интегральной излучательной способности абсолютно черного тела Е₀

.

Следовательно, значения перечисленных коэффициентов (, , ) зависят от ряда факторов, в том числе и от молекулярной структуры материала. На величину коэффициента отражения влияет состояние поверхности: при гладкой поверхности отражение будет зеркальным, при неровной шероховатости – диффузным.

При тепловой обработке большинства пищевых продуктов состояние поверхности не остается постоянным: меняется цвет, степень шероховатости и др.