Tipuri de radiaţii infraroşii

	Infraroşii scurte	Infraroşii medii	Infraroşii lungi
Temperatura corpului încălzit Lungimea de undă Fluxul termic	~2200 0C între 0.76 şi 2μm până la 400 kW/m2	~1000 0C între 2 şi 4 μm ~60 kW/m2	~600 0C între 4 şi 10 μm ~40 kW/m2

În funcţie de temperatura corpurilor încălzite se disting trei tipuri de încălzire cu infraroşii, după cum se poate observa din tabelul 1.2: radiaţii infraroşii scurte, medii şi lungi.

Adâncimea de pătrundere a radiaţiilor infraroşii în alimente nu depăşeşte câţiva milimetri pentru radiaţiile infraroşii scurte care sunt, totuşi, cele mai penetrante. La polul opus se situează radiaţiile infraroşii lungi care sunt mai bine absorbite de alimente. Radiaţiile infraroşii medii sunt folosite pentru coacerea alimentelor.

În industria alimentară s-au folsit cu precădere radiaţiile infraroşii lungi atât în cuptoarele obişnuite, cât şi alte echipamente de încălzire, chiar dacă au temperaturi mai mici. Utilizarea radiaţiilor infraroşii scurte a început să se impună abia prin anii 1960, atât din cauza faptului că nu se cunoaşteau foarte bine toti factorii care influenţează procesul, cât şi pentru că echipamentele au fost şi ele puse la punct tot în aceeaşi perioadă. Radiaţiile infraroşii scurte au fost folosite la început în industria de automobile, dar şi în industria textilă şi a hârtiei pentru diverse procese de uscare.

Ceea ce interesează, în primul rând la utilizarea radiaţiilor infraroşii este capacitatea de transfer termic, adâncimea de pătrundere a căldurii în alimente şi modul de control a procesului. De exemplu, caracteristicile de penetrare trebuie să realizeze un bilanţ optim între încălzirea suprafeţei şi încălzirea interiorului corpului, pentru a obţine cele mai bune rezultate la încălzire. Următorii factori sunt cei mai importanţi pentru a ajunge la cele mai bune rezultate ale încălzirii: temperatura radiatorului, eficienţa accestuia, reflexia/absorbţia undelor infraroşii, proprietăţile de penetrare ale acestora.

Surse de radiaţii infraroşii

Sursele de radiaţii infraroşii sunt clasificate după următoarele criterii: în funcţie de poziţia maximului de energie radiantă din curba de emisie spectrală; după felul construcţiei; după modul de amplasare a reflectoarelor cu care sunt dotate.

După primul criteriu se pot deosebi: surse de radiaţii infraroşii scurte şi ultrascurte, medii şi lungi. În prima categorie intră lămpile cu incandescenţă cu balon de sticlă care funcţionează la temperaturi de 2000-2500 K. Pentru că emit şi radiaţii vizibile se numesc şi surse luminoase. Undele ultrascurte sunt produse în tuburi cu halogen, în timp ce tuburile de cuarţ produc unde infraroşii scurte şi medii.

Sursele de radiaţii infraroşii medii funcţionează la 700-1500 K şi sunt construite din materiale ceramice încălzite electric. Pot funcţiona în aer liber şi se numesc radiatoare incandescente sau surse neluminoase. Cele de radiaţii lungi funcţionează la temperaturi < 700 K. Sunt executate din ceramică sub formă de plăci sau din oţel inoxidabil, cu încălzire electrică sau cu gaze. Sunt denumite şi surse întunecate. Încălzitoarele electrice metalice în domeniul infraroşu pot fi tubulare sau plane.

Fig. 1.2. Lampă pentru radiaţii infraroşii:

1-corpul incandescent din wolfram; 2-cârlige de molibden pentru susţinerea corpului incandescent; 3-lentilă pentru înfigerea cârligelor; 4-bastonaş metalic pentru susţinerea lentilei; 5-partea aplatizată a piciorului; 6-picior; 7-tub de evacuare; 8-electrozi; 9,10-poli ai soclului; 11-balonul lămpii (după Banu şi colab., 1992).

În figura 1.2 este prezentată o lampă pentru radiaţii infraroşii scurte. O astfel de lampă are o formă parabolică, având suprafaţa interioară până la calota lămpii acoperită cu un strat subţire de aluminiu sau argint care serveşte drept reflector. Sursa de radiaţii infraroşii este filamentul de wolfram dispus in spirală în atmosferă de gaz inert (azot, argon). Aceste lămpi au puteri de 100-1000 W şi sunt alimentate la 127 şi 220 V, având o durată de funcţionare de ~ 500 h. Pentru temperaturi mai mari de 500 ⁰C balonul se execută din sticlă de cuarţ, care are şi un coeficient de transmisie mai ridicat în domeniul radiaţiilor infraroşii cu lungimea de undă mai mare de 2.6 μm. Radiatoarele în infraroşu pot fi cu funcţionare continuă sau discontinuă.

Transferul termic în cazul utilizării radiaţiilor infraroşii

Viteza transferului de masă depinde de temperatura suprafeţei materialului încălzitor şi a celui receptor, de proprietăţile suprafeţelor celor două materiale şi de forma corpului emitent şi a celui receptor.

Pentru a înţelege mai bine transferul termic se porneşte de la legea lui Stefan-Boltzman.

Legea Stefan-Boltzman permite exprimarea cantitativă a fluxului de energie radiat de un corp de temperatura T şi de aceea, este considerată legea fundamentală a radiaţiei.

La transmiterea energiei prin radiaţie fluxul emis de o suprafaţă este proporţional cu temperatura sa absolută T (exprimată în K) la puterea a 4-a.

Legea Stefan-Boltzman este exprimată de relaţia 1.1 în care E - puterea de emisie, numită şi emitanţă sau fluxul emis (W/m²), ε - coeficientul de emisivitate a suprafeţei, iar σ = 5.669∙10^-8 W/(m² K⁴) este constanta lui Stefan-Boltzman.

(1.1)

Corpul negru este un corp ideal care absoarbe toate radiaţiile şi emite maximum de energie astfel că emisivitatea corpului negru este egală cu 1. Corpurile reale au o emisivitate mai mică decât 1. Produsele alimentare, ca toate corpurile organice, au o emisivitate destul de ridicată, exprimată prin coeficienţi de emisie de la 0,8 până la 0,95. Materialele metalice pot avea emisivităţi slabe, în funcţie de starea suprafeţei lor şi de temperatură.

Cantitatea de căldură emisă poate fi exprimată prin relaţia 1.2:

(1.2)

unde Q este debitul de căldură (W), iar A este aria suprafeţei emitente (m²).

Fig. 1.3. Caracteristici spectrale ale radiaţiei corpului negru pentru obiecte aflate la diverse temperaturi.

În figura 1.3 sunt prezentate date cu privire la diverse corpuri care radiază în domeniul IR. Distribuţia lungimilor de undă emise este importantă atât pentru a aprecia adâncimea de penetrare, cât şi pentru transferul de energie.

Calculul transferului de căldură prin radiaţie între două corpuri este complex deoarece, în afara temperaturii fiecărui corp şi a proprietăţilor de emisie-radiaţie ale acestora, poziţia lor şi geometria fiecăruia influenţează puternic schimbul de căldură dintre ele. În cazul unui corp convex plasat într-o incintă concavă de emisivitate 1 (de exemplu, pâine în procesul de coacere într-un cuptor) debitul de căldură transmis acestuia este exprimat de relaţia (1.3). Această relaţie arată o proprietate importantă a corpului gri conform căreia factorul de absorbţie α este egal cu coeficientul de emisie  al acestuia, acesta fiind, de altfel, şi enunţul legii lui Kirchhoff.

(1.3)

Unde Q este debitul de căldură (W). Când undele penetrează materialul modurile de vibraţie şi de rotaţie ale moleculelor se modifică. Undele absorbite se transformă în căldură şi temperatura materialului creşte. După cum s-a arătat alimentele nu sunt corpuri negre, astfel încât ele nu absorb şi nici nu emit toată energia pe care o primesc. O parte din radiaţie este reflectată (cam 4% pentru majoritatea materialelor organice), o alta este absorbită, iar ceea ce mai rămâne este transmisă. Aceste aspecte sunt ilustrate de figura 1.4.

Fig. 1.4. Bilanţul energiei incidente la încălzirea cu radiaţii infraroşii (IR) a unui aliment.

Reflexia este mai mare pentru undele IR scurte, fiind de aproximativ 50% din valoarea energiei incidente, în timp ce pentru undele infraroşii de lungime mare este mai puţin de 10%. Este important de ştiut acest lucru când se alege sursa de radiaţii IR.

Proprietăţile de penetrare sunt şi ele importante când se utilizează radiaţiile infraroşii. Adâncimea de penetrare se defineşte ca fiind 37% din radiaţia neadsorbită. Pentru undele scurte adâncimea de penetrare este de 10 ori mai mare decât pentru radiaţiile infraroşii lungi.

În încălzirea cu unde infraroşii căldura este transferată prin radiaţie, lungimea de undă a radiaţiei fiind determinată de temperatura corpului-cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai scurtă lungimea de undă. La ora actuală interesul este îndreptat înspre folosirea radiaţiilor scurte (lungimi de undă în jur de 1μm) şi pentru lungimi de undă medii (în jur de 10 μm). Aceste lungimi de undă permit atingerea temperaturii de operare în timp de câteva secunde, permit un transfer rapid al căldurii şi un control foarte bun al procesului. În unele materiale alimentare undele IR scurte au o adâncime de penetrare de până la 5 mm.

Tehnicile IR nu au fost utilizate la adevăratul potenţial în industria alimentară, în ciuda oprtunităţilor mari pe care le oferă. Principalele aplicaţii industriale ale încălzirii cu radiaţii infraroşii sunt cele de uscare a alimentelor cu un conţinut mic de umiditate (de exemplu, uscarea crustei păinii, a boabelor de cacao, a fainii, semnţelor de cereale, malţului, pastelor şi ceaiului). Această tehnică este utilizată ca parte a unui proces în care este nevoie de o încălzire rapidă a suprafeţei. Astfel de procese sunt prăjirea, coacerea şi uscarea. Încălzirea prin radiaţii IR se utilizează în cuptoare de coacere a pâinii sau de prăjire a alimentelor ca şi pentru închiderea ermetică unor ambalaje alimentare. S-a mai testat şi uscarea peştelui, orezului şi cartofilor. Un alt exemplu este pre-rumenirea şuncii. Timpul de prăjire a fost de numai 2-3 minute şi acest aliment a avut acelaşi gust, sau chiar mai bun decât şunca prăjită tradiţional. Echipamentul IR poate funcţiona continuu sau discontinuu. În figura 1.5 este prezentat un cuptor continuu cu radiaţii infraroşii, elementele de încălzire fiind plasate deasupra benzii tranportoare.

Figura 1.5. Cuptor în infraroşu cu funcţionare continuă.

În alte echipamente IR se combină încălzirea prin radiaţii cu convecţia aerului pentru a controla temperatura şi umiditatea aerului, întreg procesul de funcţionare fiind controlat cu ajutorul microprocesoarelor.

Aplicaţii ale încălzirii cu radiaţii infraroşii

Cele mai importante aplicaţii ale încălzirii cu radiaţii infraroşii sunt: uscarea legumelor şi peştelui, uscarea pastelor şi orezului, încălzirea făinii, prăjirea cărnii, prăjirea cerealelor şi cafelei. Se mai foloseşte această tehnică la dezgheţarea alimentelor, la pasteurizarea suprafeţei pâinii şi la pasteurizarea materialelor de împachetare.

O aplicaţie interesantă este la coacerea pâinii. În figura 1.6 este prezentat un cuptor tunel pentru coacerea pâinii cu radiaţii infraroşii. Acesta este format din banda 1, zonele de încălzire superioară şi inferioară 2 şi 3, carcasa 4 şi radiatoarele 5. Cuptorul este, de asemenea, izolat (6). Prin folosirea radiaţiilor infraroşii temperatura la suprafaţa bucăţii de aluat ajunge rapid la 150...190⁰ C, ceea ce favorizează pătrunderea căldurii în interior şi formarea cojii. Productivitatea unui asemenea cuptor este de 500-550 kg/h.

Când are loc coacerea pâinii prin radiaţii infraroşii se pot distinge trei etape:

• prima etapă este caracterizată de creşterea temperaturii suprafeţei (1-2 mm) la 100 ⁰C. Se pierde foarte puţin din greutatea aluatului;

• în a doua perioadă are loc transferul de masă. Se formează o zonă de evaporare care se deplasează spre partea centrală. Energia este utilizată pentru evaporarea apei şi încălzirea aluatului;

Fig. 1.6 Schema unui cuptor de coacere a pâinii cu radiaţii infraroşii

• în a treia perioadă temperatura atinge în centrul pâinii 90 ⁰C şi continuă să crească cu încă 8 ⁰C până la sfârşitul coacerii. Durata acestei perioade este cam 25% din timpul total de coacere.

Dacă se compară coacerea pâinii cu radiaţii infraroşii cu cea convenţională, se poate demonstra că prima tehnologie este mai eficientă. Astfel, durata de coacere în infraroşu este mai mică cu 25-50%, consumul de energie este comparabil cu cel din procedeul clasic, pierderile în greutate sunt cu 10-15% mai mici, iar calitatea pâinii este comparabilă în cele două procedee (Richardson, 2001).

Perspective de utilizare a radiaţiilor infraroşii în industria alimentară

Sunt necesare mai multe cunoştinţe despre interacţiunea între proces şi produs. Relaţia dintre proprietăţile materiilor prime şi cum sunt influenţate acestea de utilizarea radiaţiilor infraroşii în obţinerea proprietăţilor dorite ale produsului final mai trebuie încă studiate. Cum fiecare tehnică are avantaje şi dezavantaje trebuie făcute studii pentru a arăta exact care este aria de aplicaţie a încălzirii cu radiaţii infraroşii. În acelaşi timp trebuie aduse perfecţionări şi utilajelor de încălzire în domeniul IR. La ora actuală folosirea radiaţiilor IR este încă limitată în industria alimentară, echipamentul folosit nu este optimizat pentru diferitele operaţii termice care au loc în timpul procesului de coacere, de uscare sau de prăjire. Acest lucru reprezintă o oportunitate de dezvolatare şi pentru producătorii de echipamente.