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

210

Расход газа V (Н-м3/ч) определяют следующим образом:

где QjJ — низшая теплотворная способность газа.

Площадь сечения форсунки / (мм2) можно определить по уравнению

______ у„У • IQ3

( I I — 3 2 )

3 6 0 0 р с V 2 g v r {ру — р„)

где (pi— ро) — разность давления газа перед соплом и в окружающей среде;

уг — объемный вес газа при давлении рх; v0— то же, при нормальных условиях; р,с— коэффициент расхода сопла ([ic> 0.9).

ОТРАЖАТЕЛИ

При использовании инфракрасных излучателей, осо­ бенно ламповых, большое внимание следует уделять использованию от­ ражательных устройств, с помощью которых удается значительно повы­ сить эффективность работы излучателей.

Рис. 62. Отражатели:

а — сферические (2<рмаКс<180°); б — параболические (2фмакс= = 180°); в — гиперболические (2фмакс>180°).

Источник излучения устанавливают в главном фокусе отражателя, представляющем собой точку, в которой сходятся все лучи при освеще­ нии отражателя параллельным потоком излучения.

Английская фирма «GEC» рекомендует установку на рефлекторах жа­ люзийных створок. Этими створками молено легко регулировать плотность теплового потока, а следовательно, и интенсивность на различных участках поверхности.

Отражатели бывают различных видов (рис. 62): сферические, пара­ болические, гиперболические, эллиптические и пр. Наиболее распростра­ нены сферические и параболические отражатели [3, 24]. Влияние формы сечения отражателя на плотность теплового потока молено установить из данных, приведенных ниже.

211

В реальном отражателе нельзя получить параллельный поток излу­ чения как вследствие аберрации, так и в результате того, что в реальном источнике, имеющем конечные размеры, каждый элементарный участок излучения создает поток, параллельный оптической оси, а это приводит к образованию расходящего лучистого потока.

Угол расхождения пучка лучен а зависит от линейных размеров ис­ точника. Для цилиндрического источника радиусом г при сферическом

Наибольшее расхождение наблюдается при <р = 0.

Часто угол расхождения выражают через угол рассеивания пучка р:

р = 2а. (II—35)

Для получения наибольшего отражательного эффекта следует мак­ симально точно изготовлять корпус рефлектора, а кроме того, распола­ гать источник излучения строго в фокусе отражателя. Кварцевые лампы и открытые спирали полностью не отвечают этим требованиям при работе

•с рефлекторами. Эти источники обладают значительными геометрически­ ми размерами, что затрудняет образование параллельного пучка, кроме того, размещать источник излучения (спирали) в фокусе отражателя

•очень трудно. При работе нить излучателя нагревается и провисает, что приводит к неравномерному распределению лучистого потока по высоте рефлектора.

На рис. 63 показано семейство кривых, полученных с помощью ра­ диометра, характеризующих изменение относительной энергии излуче­

ния — по высоте рефлектора I при различных расстояниях объекта

Рмакс

нагрева от источника излучения [3]. В качестве источника излучения использована кварцевая лампа. Из графиков следует, что интенсив­ ность лучистого потока наиболее резко изменяется вблизи источника и то мере удаления от него эпюры распределения энергии становятся

212

■все более равномерными. На эпюрах хорошо заметен сдвиг максиму­ ма излучения вниз от оптической оси отражателя, что вызывается ■тепловым провисанием металлической спирали.

Отражатели могут быть металлические и стеклянные. Материал ме­ таллических отражателей должен обладать высоким коэффициентом от-

гРис. 63. График распределения относительной энергии излучения по высо­ те отражателя:

ражения, поэтому очень часто прибегают к различным покрытиям, обес­ печивающим максимальное отражение. Покрытие должно быть однород­ ным и обладать высокой химической стойкостью. В качестве покрытия используют хром, алюминий, серебро, золото. Особенно удобно употреб­ лять алюминий, так как коэффициент отражения для него остается прак­ тически постоянным в широком диапазоне длин волн. В последнее время ■большое распространение получил анодированный алюминий. Очень вы­ сокими отражательными качествами обладают позолоченные рефлекторы.

коэффициенты отражения характеризуют лишь чистую поверхность. Царапины, повреждения и загрязнения рефлектора резко снижают отра­ жательную способность. Для предотвращения механических поврежде­ ний рефлектор можно защитить сеткой с крупной ячеей. Капельки жира и бульона, попавшие на рефлектор, со временем могут уменьшить коэф­ фициент отражения в 2 раза.

213

Стеклянные рефлекторы изготовляют двух типов — с внутренним! и внешним отражающим слоями. У рефлекторов с внутренним отражаю­ щим слоем наблюдаются потери энергии в стекле, кроме того, стекло непропускает волны с длиной более 2,5 мкм, что делает их практически, непригодными в этой области. Рефлекторы с внешним отражающим слоем' можно использовать в любом диапазоне длин волн. Эти рефлекто ры обла­ дают высокой степенью сохранения приданной им формы, но они очень, хрупкие.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Создание равномерного теплового потока на по­ верхности продукта гарантирует стабильность технологического' процесса. С этих позиций энергетические характеристики ИКизлучателей имеют первостепенное значение. Одной из основных характеристик источника ИК-излучения является энергетическая освещенность, или плотность лучистого потока, падающего на поверхность изделия. В ИК-областн спектра все основные фор­ мулы фотометрии остаются в силе, если в них заменить фотомет­ рические единицы на энергетические.

Освещенность объекта точечным источником вычисляют па формуле

На практике часто приходится пользоваться такими источ­ никами, размеры которых не малы по сравнению с расстоянием' z. Такие источники не являются точечными и для их расчета использовать соотношение (II—36) нельзя. Вследствие неправиль­ ной формы излучателя зависимость E(z) может иметь весьма сложный вид. Однако можно рассчитать эту зависимость для некоторых простейших случаев (например, для круглых излу­ чателей). Такие зависимости будут больше приближаться к дей­ ствительным, чем зависимость в виде формулы (II—36) [I].

Пусть круглый плоский излучатель помещен на некотором расстоянии от плоского освещаемого объекта, причем плоскости излучателя и объект параллельны (рис. 64, а). Найдем освещен­ ность элементарной площади dS, расположенной против центра излучателя О, причем радиус излучателя R0 будем считать из­ вестным.

Каждый излучатель; можно характеризовать значением яр­ кости В, которая зависит от свойств поверхности излучателя и направления. Для большинства излучателей можно считать

214

Полная освещенность после интегрирования выражения? (II—39) от О до R:

Величины cos i и г можно выразить через постоянную вели­ чину 2 и переменную R:

Подставляя выражение (II—41) в уравнение (II—40) получим

где S — площадь излучателя.

Следовательно,

z3 +

где / = BS — энергетическая сила света, Вт.

Из соотношения (II—43) следует:

_1____l_ _S_

(II—44)

Е ~ I 2 + г.1

Зависимость — (z2) должна быть линейной, причем наклон

Е

прямой дает 1~1. Таким образом, по экспериментальным зависи­ мостям E(z) можно сразу оценивать мощность ИК-излучения. Кроме того, из той же зависимости можно согласно уравнению (II—44) найти «эффективную» площадь излучателя S, т. е. пло­ щадь некоторого круглого излучателя, дающего ту же освещен­ ность. Зная значения / и S для каждого типа излучателя, можно на практике легко оценивать освещенность объекта по формуле (II—43). Для некоторых промышленных ИК-излучателей экспе­ риментально были определены значения I и S (табл. 58).

216

Т а б л и ц а 58

Из табл. 58 видно, что найденные по экспериментальным данным величины I находятся в строгом соответствии с мощ­ ностью излучателя. Это является практическим подтверждением соотношения (II—50), полученного для круглого излучателя. Эф­

фективные площади излучателей составляют 100—300 см2.

С

Заметим, что согласно уравнению (II—43) при а2 > — можно пользоваться более простой формулой

£

В это выражение значение S не входит. Так как — состав­

ляет не более 100 см2, то формулой (II—52) на практике можно пользоваться при а > 30 см. При этих условиях энергетиче­ ская освещенность объекта мало зависит от геометрии излучате­ ля и в основном определяется потребляемой им мощностью.

Представляет интерес также зависимость освещенности объ­ екта от величины смещения от центра нагревателя. Ее легко рассчитать для простейших случаев. Возьмем излучатель квад­ ратной формы со стороной 2R0 (рис. 64, б). Пусть площадка dS', на которой вычисляем освещенность, сдвинута по отноше­ нию центра излучателя на величину х0 в направлении оси х. Остальные обозначения те же, что на рис. 64, а.

Освещенность площадки dS', создаваемая элементом излуча­ теля dS, определяется выражением (II—38). Из рис. 64, а видно,

что cos i = у , поэтому соотношение (II—38) можно записать в виде:

217

Так как dS = dx dy в декартовых координатах, a z = r(xy)r то полную освещенность можно найти интегрированием выраже­ ния (II—46):

Подставляя уравнение (II—48) в выражение (II—47), находим

V *2+До

можно с точностью до 20% заменить угол его тангенсом (дейст­

Этот результат совершенно аналогичен полученному выше для круглого излучателя [см. уравнение (II—-43) ]. Величины эффективных площадей излучателей, определяемые из соотно­ шений (II—43) и (II—52), практически совпадают.

218

Таким образом, зависимость освещенности объекта от смеще­ ния излучателя в радиальном направлении определяется соот­ ношением (II—50) довольно сложного вида.

При больших 2 (малых х) его можно упростить, приведя к выражению (II—51).

Вычисленные и экспериментальные кривые E(z) согласуются

•одна с другой, что подтверждает полезность формул (II—50)

.и (II—52) для практических оценок.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД

При исследовании оптических свойств наиболее часто применяют инфракрасные спектрометры и спектрофотомет­ ры. Спектрометры предназначены для получения и регистрации ИК-спектров однолучевым методом, спектрофотометры — для регистрации спектров поглощения различных веществ двухлу­ чевым методом.

Для определения пропускательной способности наиболее це­ лесообразным является использование двухлучевых спектрофо­ тометров, так как работа по однолучевому методу имеет ряд существенных недостатков: необходимость отдельной записи спектра пропускания образца и эталона и трудоемкость обра­ ботки результатов измерения; высокие требования к постоян­ ству коэффициента усиления приемно-регулирующего устройст­ ва (стабильности и линейности); ведение учета изменения пока­ заний прибора в работе; возможность наложения на спектр об­ разца спектра поглощения атмосферных газов.

Принцип действия спектрофотометра при работе по двухлуиевой схеме основан на нулевом методе [17]. Радиация от источ­ ника излучения направляется по двум каналам: в одном канале помещается исследуемый образец, в другом — фотометрический клин и образец сравнения. С помощью прерывателя пучки света из каналов попеременно проходят в монохроматор, разлагаются в спектр и поступают на приемник радиации — болометр. Ког­ да интенсивность пучков в обоих каналах одинакова (что при отсутствии поглощающего образца обеспечивается оптической схемой осветителя), на болометр попадает постоянная тепловая радиация и сигнал на входе усилительной системы не возникает. При наличии поглощающего образца на болометр попадают пуч­ ки различной интенсивности, в результате на входе в усилитель появляется переменный сигнал, частота которого равна частоте прерывателя пучков. Этот сигнал после усиления и преобразо­ вания подается на обмотку электродвигателя отработки, кото-

219