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

этого можно, используя очень высокие частоты (сотни мегагерц и выше). Наиболее употребительны при сублимационной сушке частоты от 400 до 10 000 МГц.

Рабочие СВЧ-камеры должны быть сконструированы так, чтобы электрическое поле в продукте было как можно большим от максимума напряженности поля в окружающем вакууме. Отношение напряженности электрического поля в продукте к напряженности поля пробоя в вакууме зависит от многих фак­ торов: размеров вакуумного пространства, направления поля

идиэлектрических свойств продуктов.

Внастоящее время исследует эффективность использования СВЧ-энергоподвода при сублимационной сушке на установках периодического и непрерывного действия. В установках перио­ дического действия используют главным образом резонаторные камеры прямоугольного и круглого сечения. Недостатком этих установок, помимо периодичности процесса, является неравно­ мерность нагрева продукта в разных точках камеры.

Многочисленные экспериментальные работы [155,156] по­ казывают, что длительность сублимационной сушки при СВЧэнергоподводе можно сократить на порядок по сравнению с сушкой при радиационном энергоподводе. Так, при сублима­ ционной сушке измельченной говядины (толщина слоя 25,4 мм) до влажности 0,5 и 10% при радиационном и СВЧ-энергоподводе на частоте 915 МГц при начальной влажности 60%, установлено, что сушка до постоянной массы длится соответственно 22 и 2,5 ч (отношение времени сушки 9 : 1). До 5%-ного содержания влаги продолжительность сушки соответственно 15,5 и 2,25 ч (7 : 1).

Особенно эффективно использование СВЧ-сушки на конечной стадии процесса. Например, снижение содержания влаги в образ­

которых продуктов с конечным содержанием влаги 2%, высушен­ ных в поле СВЧ и при радиационном энергоподводе, приведена в табл. 110.

Сублимационные установки непрерывного действия более при­ годны для использования в них СВЧ-энергии. При непрерывном продвижении через рабочую камеру продукт нагревается в поле СВЧ. В этом случае можно использовать электромагнитные поля одного типа волн, нагрузка на СВЧ-генератор остается практи­ чески постоянной.

При использовании волновода постоянного сечения в качест­ ве рабочей камеры нагрев продукта по длине конвейерной ленты будет не одинаковым. Для больших СВЧ-систем сублимационной сушки очень важно использовать устройства, которые дают рав-

420

номерный нагрев. Нагрев в поле стоячей волны крайне нежела­ телен, так как в этом случае напряженность поля в пучностях увеличивается. Следовательно, во избежание пробоя приходится снижать допустимую мощность. При этом уменьшается произ­ водительность установки. Если же необходимо сохранить про­ изводительность установки неизменной, нужно увеличивать дли­ ну волновода. Опасность возникновения стоячих волн можно свести к минимуму путем изготовления волновода и конвейерной ленты длиной, достаточной для практически полного поглоще­

Волновод сужается так, что продукт равномерно нагревается почти по всей длине уст­ ройства, которая может достигать порядка 1 м и более. Так как мощность, распространяющаяся вдоль волновода, уменьшается вследствие затухания в продукте, равномерное электрическое поле сохраняется путем пропорционального уменьшения ха­ рактеристической проводимости волновода, достигающей значе­ ния, соответствующего отсечке.

При отсечке энергия не распространяется, а характеристи­ ческая проводимость практически равна нулю. Излучение энер­ гии из концов волновода предотвращается путем устройства за­ предельных волноводов длиной 10—12 см после места отсечки. Электрическое поле в суживающемся волноводном устройстве направлено поперек волновода и проходит через продукт парал­ лельно поверхности конвейерной ленты. На частоте 915 МГц толщина продукта на конвейерной ленте, при которой сохра­ няется достаточно равномерный нагрев по сечению, может быть по меньшей мере 5 см. СВЧ-энергия вводится двумя антенными штырями, размещенными в центре устройства. Равные амплитуды

422

и фазы напряженности поля обеспечиваются соответствующим делителем мощности. Длина секции суживающегося волновода определяется подводимой мощностью, ограничивающейся раз­ рядом энергии от антенных штырей. В непрерывной СВЧ-субли- мационной установке большой мощности используется несколько таких секций в каскаде. Уровень мощности в последующих сек­ циях должен быть ниже в соответствии с принятым режимом процесса.

Скорость сублимационной сушки при СВЧ-теплоподводе за­ висит от давления водяных паров [46].

Термическая обработка

Иногда нагрев продуктов в поле СВЧ проходит практически без внешнего массообмена и тогда задача упрощает­ ся, в большинстве же случаев потери массы достигают значи­ тельных величин и условия массообмена должны непременно учитываться. Продолжительность термической обработки пи-

Т а б л и ц а 111

423

щевых продуктов зависит от многих факторов технологических, конструктивных, электрофизических, мощности СВЧ-генератора и др. Для СВЧ печи «Волжанка» сведения о продолжительности обработки различных продуктов приведены в табл. 111.

Точное описание процессов тепло- и массообмена при СВЧ-нагреве — необычно сложная задача. Для инженерных расчетов можно использовать приближенные зависимости. В. М. Башмаков, С. В. Некрутман и дру­ гие предложили приближенный метод инженерного расчета кинетики СВЧ-нагрева пищевых продуктов, базирующийся на системе дифферен­ циальных уравнений тепло- и массопереноса, которые для случая внут­ ренних источников тепла имеют вид [64]:

где t — температура;

и — влагосодержание; р — избыточное давление в образце:

т— время;

а— коэффициент температуропроводности;

Рассматривают одномерную задачу, считая образец полубесконечным

убывает в глубь образца по экспоненциальному закону:

424

Граничные условия считают промежуточными между: а) случаем теп­ лоизолированного образца и б) случаем теплового равновесия образца с окружающей средой. Эти условия имеют вид:

t(x, т), р(х, т) и и(х, т), полученные как средние арифметические из реше­

рди

сг дх

2. На основании многих экспериментальных данных член am,S2 у27 в уравнении (III—154) пренебреженио мал, т. е. можно не учитывать вклада термодиффузии влаги в изменение влагосодержания.

3. На основании опытов по СВЧ-нагреву пищевых продуктов [41], свидетельствующих о малом изменении избыточного давления в образце отточки к точке, исключается из уравнения (III—155) член ар у2р. Это упрощение можно ввести только для самого процесса СВЧ-нагрева. После

Тогда для периода СВЧ-нагрева получают систему:

V *

425

где

V* о

При больших .V (толстых образцах) формула (III—163) упрощается:

При малых значениях т (начальный период нагрева) вместо выраже­ ния (III—165) имеют

t (х,х) =вАте-*Л‘. (III—166)

Сравнивая приближенные формулы (III—165) и (III—166) с экспери­ ментальными кривыми, можно оценить параметры A, k и а.

Расчетные кривые t(x) при фиксированных х и t{т) при фиксирован­ ных т качественно согласуются с экспериментальными кривыми [41].

Решение уравнения (III—161) дает

гДе Роо— предельное значение избыточного давления в образце. Изменение р в период релаксации после выключения СВЧ-источника

хорошо коррелируют с экспериментальными данными.

В. И. Башмаков и другие приводят методику, позволяющую произ­ вести выбор режима СВЧ-нагрева пищевых продуктов при доведении их до кулинарной готовности. В зависимости от конечной цели процесс СВЧ-обработки может происходить или в один этап — доведение про­ дукта до определенной температуры, или в два, причем второй заключает­

426

ся в термостатировании продукта, т. е. его выдержке при достигнутой температуре.

При нагреве продукта в замкнутом объеме при оптимальных темпах нагрева подводимая мощность почти полностью расходуется на повыше­ ние температуры образца от tu = 15-г-20° С до tK= 95 99° С. Пот требляемое при этом количество тепла Qt (кДж) молено вычислить по сле­ дующей формуле:

Если нагрев до tK длится в течение времени т1( то для средней мощ­ ности

Величина Pi связана с потребляемой мощностью СВЧ-установки N\ соотношением

где т)*1*— термический к. п. д. нагрева для данного этапа работы.

После достижения конечной температуры tK энергия, отдаваемая магнетроном, расходуется в основном на испарение влаги из продукта. Если за время доведения продукта до кулинарной готовности произошла потеря массы образца Ат, то затраченное тепло определяют по формуле

Из формул (III—173) и (III—176) можно найти соотношение мощно­ стей Рх и Р2 или потребляемых мощностей Nx и N2 на разных этапах при­ готовления продукта. С учетом уравнения (III—178)

По смыслу это соотношение лредставляет собой критерий Ребинде­ ра Rb для данного процесса

Рх

427

Этим критерием можно охарактеризовать режим СВЧ-обработки пищевого продукта. Определив Rb, согласно соотношению (III—179),

можно оценить ^2, т. е. оптимальный режим работы СВЧ-установки. Если

потерями тепла пренебречь нельзя, то величина Л12 при заданной Ni дает нижний предел мощности, необходимой для поддержания образца при ко­ нечной температуре до готовности.

Для СВЧ-термообработки используют различные агрегаты. В большинстве случаев СВЧ-устройства непрерывного действия для нагрева пищевых продуктов представлены в виде линейных конвейеров.

Рис. 186. Конвейерная СВЧ-установка с распределенным вводом энергии в рабочую камеру:

Нагревательная камера конвейерной установки, приведен­ ной на рис. 186 [911, образована длинным металлическим го­ ризонтальным туннелем прямоугольного сечения. Длина камеры 2,4 м, высота — 0,3 м и ширина — 0,45 м. С обоих концов тун­ неля расположены ловушки, в которых должна затухать непоглотившаяся продуктом энергия. СВЧ-энергия подается в ра­ бочую камеру через щелевой волновод, имеющий активную дли­ ну 1,5 м. Такая система обеспечивает более равномерное рас­ пределение энергии в объеме рабочей камеры и снижает макси­ мальную напряженность электрического поля в камере по срав­ нению со случаем сосредоточенного ввода энергии. Это очень важно при обработке продуктов с низкой электрической проч­ ностью или при обработке продукта в вакууме. Форму щелей подбирают экспериментальным путем, длину щелей изменяют по длине волновода так, чтобы обеспечивалось желаемое распреде­ ление энергии по длине камеры. Продукты, подвергаемые обра­ ботке, непрерывно поступают на конвейер и проходят через тун­ нель. Конвейерная лента сделана из материала с низкими ди­ электрическими потерями.

428

На рис. 187 приведена схема установки для обработки про­ дуктов в непрерывном потоке [88]. В ней можно обрабатывать жидкие продукты с низкой вязкостью и твердые продукты не­

составляет 65 кВт, частота 2450 МГц. Тушки птицы на данной установке обрабатываются СВЧ-энергией и острым паром. Мо­

429