книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

Г л а в а II

ОБРАБОТКА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В настоящее время инфракрасное излучение достаточно широко применяется в различных отраслях про­ мышленности, в частности кондитерской, хлебопекарной, мяс­ ной, молочной, как в технологических (термических) процессах, так и при выполнении различного рода качественных и коли­ чественных химических анализов, исследованиях молекуляр­ ного строения вещества и в др.

Поток инфракрасного излучения, взаимодействуя с мате­ риалом, преобразуется в тепло. Способность материала погло­ щать инфракрасные лучи зависит от его оптических свойств и длины волны излучения, легко изменяемой в необходимых пре­ делах. Такая мобильность инфракрасного излучения открывает широкие возможности для его использования в разнообразных технологических процессах.

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;

Для технических целей верхний предел используемых длин волн можно ограничить 15 мкм, так как образующийся водяной пар имеет максимум поглощения инфракрасных лучей с длиной волны более 15 мкм.

Инфракрасное излучение можно охарактеризовать как коле­

где с — скорость света (с со 300 000 км/с).

В общем случае поток излучения Ф (Вт), произвольно падаю­ щий на поверхность материала, претерпевает ряд изменений: одна его часть Ф0 — отражается от поверхности материала, дру­ гая Фп — поглощается материалом, а третья Фпр — представля­ ет собой проникающее излучение

191

Величины слагаемых, входящих в это равенство, зависят как от свойств материала, так и от параметров источника излучения. Взаимодействие материала с лучистым потоком характеризует ряд коэффициентов.

Коэффициент отражения р представляет собой отношение от­ раженного от поверхности продукта лучистого потока к полному

Коэффициент пропускания т выражает отношение потока лу­ чистой энергии, проникающего через материал, к полному лу­ чистому потоку

Для малопрозрачных тел, а к ним можно отнести часть пи­ щевых продуктов, проникающее излучение практически отсут­

На величину коэффициента отражения влияет состояние поверх­ ности материала: при гладкой поверхности отражение будет зеркальным, при неровной шероховатой — диффузным (рассе­ янным).

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

Способностью полностью поглощать и излучать лучистый по­ ток обладает только абсолютно черное тело. Общие выражения, характеризующие зависимость излучательной способности аб­

192

дискретно, в виде определенных порций — квантов, энергия ко­ торых зависит от длины волны (частоты) излучения

h — постоянная Планка, Л = 6,62-КГ34 Дж-с.

Суммарная лучеиспускательная способность Е0 связана со спектральной лучеиспускательной способностью 1\ абсолютно черного тела следующим соотношением:

Анализ и табулирование формулы Планка являются наибо­ лее важными для инженерной практики вопросами, так как из формулы Планка можно получить все законы излучения аб­ солютно черного тела, полученные эмпирическим путем.

Следствием закона Планка является закон смещения Вина, устанавливающий связь между длиной волны, соответствующей максимальному значению спектральной интенсивности излуче­ ния Хшкс (м), и абсолютной температурой тела Т (°К):

Излучательная способность всех природных тел меньше, чем абсолютно черного тела. Поглощательная способность вещества а\т показывает, какая часть лучистой энергии поглощается телом при температуре Т и длине волны излучения X. Для аб­ солютно черного тела а\т = 1. Между излучательной и погло­ щательной способностью вещества существует взаимная связь, определяемая законом Кирхгофа для интегрального потока из­ лучения

где ат и /т — соответственно полные излучательные и поглощательные способности тела для интегрального лучистого потока, т. е. для длин волн от X = 0 до X = оо.

Закон Кирхгофа также справедлив и для излучения с опре­ деленной длиной волны. Из закона следует, что для любого тела

/т

постоянство отношения — зависит только от температуры, луче-

°т

испускательная способность тела тем выше, чем больше его по­ глощательная способность.

Излучение реальных (серых) тел меньше излучения абсолют­ но черного тела, для этого случая закон излучения Стефана— Больцмана имеет вид:

7—381 193

е— степень черноты тела, причем она численно равна коэффициенту поглощения и всегда меньше 1 [24, 32, 53].

Взаимное излучение и поглощение двух реальных тел опре­ деляется не только температурой и степенью черноты, но и ве­ личиной, формой и взаимным расположением их поверхностей. В общем случае мощность потока тепла Q(Bt), переданного при лучеиспускании, в системе двух тел определяется по фор­ муле

п — взаимная излучающая поверхность двух тел.

Прохождение потока излучения через вещество всегда сопро­ вождается его поглощением. Величина энергии, поглощенной материалом, зависит от длины волны излучения и от свойств материала.

Изменение интенсивности падающего потока излучения /„ при проникновении его в вещество на глубину х, устанавливается законом Бугера

Из равенства (II—14) следует, что величина, обратная коэффи­

циенту поглощения —= х, показывает толщину слоя материала,

после прохождения которой интенсивность излучения уменьша­ ется в е — 2,72 раза. Закон Бугера положен в основу многих методов определения коэффициента поглощения материалов. Од­ нако для большинства пищевых продуктов закон Бугера не всег­ да полностью приемлем, что обусловливается значительным от­ ражением и рассеиванием света, а также сложностью их строе­ ния [6].

ИСТОЧНИКИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В настоящее время промышленность производит разнообразные инфракрасные излучатели, начиная с электричес­ ких инфракрасных ламп и кончая керамическими излучающими панелями.

194

В зависимости от длины волны излучения излучатели делят на светлые и темные. К светлым относят такие, в спектре кото­ рых есть область видимых лучей.

При выборе излучателя учитывают особенности технологиче­ ского процесса, свойства материала, инерционность генератора, интенсивность и длину волны излучения, возможность импульс­ ного облучения, санитарные требования, экономические показа­ тели работы излучателя.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

Основным элементом электрических излучателей является металлическая проволока (нихром, вольфрам и др.),

ную колбу с внутренней параболической поверхностью, покры­ той тонким слоем алюминия, что обеспечиваетдо 90% отражения всех лучей. В центре параболической поверхности располо­ жена вольфрамовая спираль. Использование внутреннего отра­ жателя способствует более равномерному распределению лучис­ того потока по диаметру лампы. Мощность выпускаемых ламп 250 и 500 Вт при средней продолжительности горения до 2000 ч. Спектр излучения такой лампы занимает участок от 0,8 до 6,0 мкм, причем длина волны, соответствующая максимуму энер­ гии излучения, составляет 1,05 мкм.

Стекло колбы поглощает излучение с длиной волны 2,5 мкм, однако нагрев самой колбы вызывает средневолновое излучение с длиной волны до 6 мкм. Интенсивность излучения колбы очень незначительна. При энергетическом к. п. д., равном 0,7, лампы могут создавать плотность излучения 0,2—2 Вт/см2. С помощью таких излучателей можно получать на поверхности продукта температуру порядка 220—240° С при расстоянии лампы от про­ дукта 80—100 мм. Кроме того, можно достичь большой установ­ ленной мощности. Так, при использовании ламп мощностью 500 Вт и при их рациональной установке мощность достигает 28 кВт/м2 [8] — 56 ламп расположено в шахматном порядке на площади 1 м2.

Инфракрасные лампы изготовляют также с двумя и тремя нитями накала, что позволяет более широко варьировать мощ­ ностью источника [6].

Недостатки описанных излучателей — чрезвычайная хруп­ кость, так как колба тонкостенная, поверхность лампы довольно быстро покрывается налетом капелек жира и бульона (при об­ работке мясопродуктов), что приводит к резкому снижению из­

лучающей способности лампы; после 30—40 ч работы у 30% ламп стеклянная колба отходит от цоколя, в результате чего лампы выходят из строя [5].

Более удачной является трубчатая кварцевая лампа накали­ вания КИ-1000. Она предназначена для включения в сеть пере­ менного тока напряжением 220 В. Лампа смонтирована в квар­ цевой трубке, по оси которой на танталовых дисках (поддерж­ ках) расположено тело накала (вольфрамовая моноспираль, см.

Рис. 52. Электрический кварцевый излучатель КИ-1000:

/ — вольфрамовая ыоноспирзль; 2 — кварцевая трубка; 3 — электрический ввод.

рис. 52). Электроды, впай в кварц и внешние выводы выполнены из молибдена. Лампы изготовляют двух типов: с металлическим цилиндрическим цоколем и без цоколя. В лампах с цоколем внешние выводы электродов приварены к корпусу цоколей, с по­ мощью которых осуществляется контакт с электрической цепью. В лампах без цоколя контакт с электрической цепью произво­ дится посредством молибденовых выводов.

Характеристика лампы КИ-1000 приведена ниже.

Средняя продолжительность горения лампы около 5000 ч при среднем световом потоке в конце срока службы не менее 5000 лм. Максимум излучения такой лампы (рис. 53) приходится на длину волны 1 мкм, однако в процессе ее эксплуатации он сдвигается в область более длинных волн — до 1,4 мкм.

Если в качестве материала трубки используют плавленый кварц, то получают более однородный поток излучения, так как кварц поглощает лучи с длиной волны более 3,5 мкм. Для умень­ шения испарения вольфрама, который, оседая на стенках квар­ цевой трубки темным налетом, ухудшает эксплуатационные ка­ чества излучателя, лампу заполняют инертным газом и поме­ щают незначительное количество йода.

С помощью кварцевых излучателей можно создавать очень высокие плотности энергии — до 60 кВт/м2. По длине излучате­ ля удельная мощность составляет 30—40 Вт/см.

196

Кварцевые лампы обладают повышенной чувствительностью к изменению напряжения в питающей сети [8]. ь', Вследствие их практической безынерционное™ лампы очень удобны для применения в схемах с использованием импульсного способа облучения, что особенно важно для термолабильных

пищевых продуктов.

Кварцевые излучатели в открытом исполнении представляют собой нихромовую спираль, помещенную в открытую полупро-

Р,%

Рис. 53. Спектральная характеристика лампы КИ-1000:

1 —новой; 2 — после 800 ч работы.

зрачную кварцевую трубку диаметром 12—18 мм. В данном слу­ чае кварц играет роль фильтра, ограничивающего диапазон излучения. Температура нихромовых спиралей изменяется в диа­ пазоне 1000—1300° К и для газонаполненной лампы параметры излучения открытых кварцевых излучателей зависят от напря­ жения питания (табл. 52).

197

Как видно из табл. 52, открытые кварцевые излучатели не­ сколько уступают кварцевым лампам в плотности теплового по­ тока, кроме того, длина волны максимального излучения боль­ ше примерно в 2 раза, однако конструктивно они значительно доступнее и проще.

Часто в качестве излучателей используют открытые металли­ ческие моноспирали. Излучающую спираль закрепляют на отра­ жателе с помощью простых керамических вкладок, использова­ ние которых значительно упрощает крепление излучающего эле­ мента, фиксируемого в центре параболического отражателя. В качестве материала для спирали применяют ряд сплавов, обладающих большим электрическим сопротивлением и доста­ точной окалиностойкостью. Плотность теплового потока, созда­ ваемого открытыми спиральными излучателями при температу­ рах 1000—1350° К, колеблется в интервале 0,8—2,0 Вт/см2. Для увеличения интенсивности излучения, часто используют не про­ волоку, а ленту из тех же материалов. Преимущества открытых спиралей — простота исполнения, большая плотность теплового потока, отсутствие стекла; недостатки— возможность коротко­ го замыкания и не совсем равномерное распределение лучистого потока.

Для металлических спиралей удельную энергию излучения

=1,47).

Вдиапазоне длин волн от 4 мкм и более можно воспользо­ ваться более удобным соотношением между удельной энергией

излучения и температурой металла Т:

где ро— удельное сопротивление металла, Ом-см.

Для того же диапазона длин волн энергия, соответствующая максимуму излучения,

Выпускаются панельные излучатели, работающие при тем­ пературах 650—720° К, что соответствует длине волны макси­ мального излучения около 4 мкм. Такое излучение полностью относится к средневолновому диапазону. В качестве излучаю­ щей поверхности в панелях используют керамику или чугун.

198

Электрическая мощность, потребляемая одной панелью, ~1 кВт. Панели создают ровный поток инфракрасного излучения, долго­ вечны. Однако использование их в ряде аппаратов весьма за­ труднительно, так как они обладают большой инерционностью —. на разогрев панели до рабочего состояния требуется более 1,5 ч.

Изготовляют излучатели, выполненные в виде герметически закрытой металлической трубы с замурованной внутри электри­ ческой спиралью (рис. 54, а). Излучатель устанавливают с от-

Рис. 54. Излучатели:

ражателем из полированного алюминия. Температура излучате­ ля 650—800° К, плотность теплового потока 1—1,2 Вт/см2.

Темные излучатели могут иметь одну или несколько нагрева­ тельных спиралей, расположенных в трубе плоскоовальной фор­ мы (рис. 54, б). Применение таких излучателей позволяет пол­ ностью использовать излучение от внутренней поверхности ус­ тановки, если прижимать плоские излучатели к ее металличе­ ской облицовке. Излучатели изготовляют длиной до 2 м. Если же трубы изготовлены из хромоникелевой стали, то рабочая температура может достигать 750° С.

Разъемные металлические генераторы [8], применяемые в кондитерской промышленности, представляют собой разборную конструкцию (рис. 54, в), в которой в случае ремонта можно заменить нагревательные элементы. ТЭНы в излучателе уложе­ ны в специальные гнезда в задней стенке чугунной плиты и уп­ лотнены шамотной массой. Для повышения к.п.д. генератора стенка плиты, противоположная облучаемому объекту, изоли­ рована асбестом и покрыта полированным алюминиевым листом

[22].

199