книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

эквивалентно уменьшению частоты:

Тя1п Ц - то ) = 7' * ,п ( ^ 4

Этот закон подтвержден для ряда случаев эксперимен­ тально. Согласно [12],

Постоянные имеют малую величину, и можно выразить это соотношение в виде

(1& ^)/,г ~ Сест ** С(1 + 7т). Следовательно, можно по­

стулировать следующее очень приближенное соотноше­ ние:

где К — постоянная для материала,, а величина Л, со­

гласно уравнению (3), равна 0,06 при 300 °К. Линейная форма подходит и для твердых пород, где молекулы воды, по-видимому, более тесно связаны в однородную изотроп^ ную структуру, чем в мягких породах [15].

V. Заключение

Очевидно, что диэлектрические параметры следует измерять в каждом случае. Практика показывает, что, когда основная полярная жидкость смешана с диэлектри­ ком с низкими потерями, имеется мало возможностей предсказать эффекты на различных частотах по резуль­ татам одной серии измерений. Очевидно, далее, что пере­ ход всегда будет наблюдаться, когда отрицательная тем­ пературная характеристика жидкости превалирует над положительной температурной характеристикой твердого вещества.

Предполагая, что соображения, обсуждавшиеся выше, в основном верны при" обработке материалов, и в част­ ности при окончательной сушке, можно заключить, что однородность нагрева и стабильность процесса являются основными проблемами при конструировании СВЧ-сис- тем. Каждое проектируемое устройство требует деталь­ ной программы оценок,' начинающихся с изучения элек­ трических (а во многих случаях и магнитных) свойств материала. В большинстве случаев распределение СВЧэнергии должно определяться с учетом положения ма­ териала в системе.

Обозначения

йу Ьу с — постоянные материала;

Н— толщина образца;

К— постоянная материала;

к— постоянная Больцмана;

М— масса;

5 — площадь поперечного сечения; Т — температура, °К;

хх — расстояние между образцом и стенкой волно­

вода.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.С о р 5 о п Э. А., Мкго\уауе НеаНо^ т Ргееге Огут&, Е1есГгошс Оуепз ап Л ОГЬег АррИсаНопэ, 'МезГрогГ, СоппесИсиГ, Ау1, 1962, рр. 20—27, 381.

выводы

Де к а р о , К р э п у н е тс

I. Обработка пищевых продуктов

Из изложенного материала с очевидностью следует, что СВЧ-энергия все шире применяется в пищевой про­ мышленности. Ко времени написания этой книги в эксплу­ атации находились более десятка установок для сушки хрустящего картофеля и по крайней мере одна установка конвейерного типа для варки цыплят. Суммарная уста­ новленная мощность этого оборудования достигает ^ 1 Мет. Степень заинтересованности в этом виде энер­

гии иллюстрируется в разделах, посвященных сублима­ ционной сушке, размораживанию, бланшированию, выпе­ канию, обработке муки, стерилизации и подогреву пред­ варительно приготовленных продуктов. Несколько опыт­ ных конвейерных СВЧ-установок уже смонтировано рядом предприятий для проведения таких,процессов, как выпе­ кание, упаковка мяса, подогрев заранее приготовленных блюд, обработка зерна и зернопродуктов. На различных стадиях разработки находится ряд технологических про­ цессов, по которым фирмы не сообщают каких-либо под­ робностей. За немногими исключениями, оптимальное экономически оправданное использование СВЧ-энергии сводится к тому, что эта энергия выступает в технологи­ ческом процессе как часть суммарной тепловой энергии, необходимой для его выполнения.

А. Экономические факторы. Таким образом, вопрос о применении СВЧ-энергии в пищевой промышленности будет в конечном счете определяться экономическими показателями. При экономическом анализе следует учи­ тывать такие факторы, как надежность, роль СВЧ-энер­ гии в технологическом процессе, затраты труда, качество изделий, необходимые производственные площади, удоб­ ство эксплуатации, стоимость генератора и к. п. д. В ряде случаев наличие нескольких из этих факторов служит достаточной основой для создания экономичного техно­ логического процесса. Ниже приводится анализ некото­

рых из вышеперечисленных факторов и рассматривается их влияние на процессы.

1. Надежность. Надежность в первую очередь опре­

деляется сроком службы СВЧ-генератора. В настоящее время существует тенденция к увеличению этого пара­ метра. Испытания на срок службы, проведенные одной из фирм — изготовителей СВЧ-плит, показывает, что при определенных условиях срок службы может достигать 5000 час. На .существующем промышленном оборудова­

нии получено все еще слишком мало данных, чтобы можно было правильно оценить влияние срока службы на эко­ номические показатели процесса. Результаты испытаний на срок службы при работе на согласованную нагрузку обычно нельзя использовать при оценках процессов, в которых такой режим работы не встречается. Так, напри­ мер, при обработке хрустящего картофеля нагрузка очень плохо согласована с генератором. Однако, поскольку на каждом конце сушилки водяная защита поглощает неис­ пользуемую энергию, обратно к генератору отражается только небольшая доля всей энергии.

В конце своего срока службы генераторы выходят из строя и их надо заменять. Задача состоит в том, чтобы определить, когда произойдет отказ, и заменить генера­ тор до отказа, чтобы не произошло потерь производствен­ ного времени. Многомодульный принцип построения обо­ рудования позволяет не прекращать работу установки даже при отказах генераторов при условии, что в систе­ му встроено несколько запасных модулей. Когда какойлибо генератор выходит из строя, то вместо него быстро включают запасной, а поврежденный снимают для ре­ монта после окончания рабочей смены. Вероятно, такой путь наиболее практичен в случае маломощных модулей; однако некоторую избыточность можно предусмотреть и в системах, работающих на генераторах большой мощ-'

ности.

2. Роль СВЧ-энергии в технологическом процессе. Вслед­

ствие проникающего характера СВЧ-энергии температу­ ры на поверхности часто бывают меньше, чем в более глубоких слоях. Поэтому для получения желательных поверхностных эффектов может потребоваться дополни­ тельный нагрев. Простым примером служит выпекание

хлеба. Хлеб, выпеченный с помощью энергии СВЧ, не имеет темной хрустящей корочки. Но использование СВЧ-энергии дает возможность существенно сократить общее время процесса. Можно назвать множество других процессов, в которых СВЧ-энергия обеспечивает значи­ тельную часть подводимого тепла: варка мяса, рыбы и птицы с использованием источников горячего пара, лу­ чистой или конвекционной тепловой энергии; сушка хру­ стящего картофеля горячим воздухом; сублимационная сушка, в которой СВЧ-энергию используют для удаления остаточной влаги после того, как основная влага удалена обычными средствами. В некоторых из. этих случаев проводить процесс лишь за счет СВЧ-энергии не только непрактично, но далее невозможно получить продукт с удовлетворительными качествами. Так, например, вар­ ка разделанных тушек домашней птицы под действием только энергии СВЧ дает худшее качество и меньший выход, чем совместная обработка паром и энергией СВЧ.

Способы ускорения сублимационной сушки таких продуктов, как мелко нарезанные цыплята, грибы и т. п., уже позволили сократить длительность процесса до 4 час. Поэтому преимущества использования СВЧ-энер­

гии, которая позволяет уменьшить эту длительность до 2,5 часу оказываются не столь бесспорными. Несколько

лет назад, когда обычный процесс занимал 24 час, воз­ можность сокращения времени в 10 раз привлекла к себе всеобщее внимание. В настоящее время СВЧ-энергию имеет смысл применять в первую очередь для обработки продуктов с большим поперечным сечением, например для обработки целых цыплят, порций грудинки, шеек омара, толстых бифштексов и др. Обычная обработка таких продуктов занимает 24 час и более. Но рынок сбы­

та таких продуктов весьма ограничен и, как предпола­ гают, останется таким же в ближайшие годы. Даже наи­ лучшие по качеству продукты, полученные в резуль­ тате сублимационной сушки,, нельзя сравнить со свежи­ ми или свежезамороженными, которые к тому же стоят значительно дешевле. До сих пор в основном эти продукты входили в состав воинских пайков. На рынок розничной продажи эти продукты будут по-прежнему поступать обычно в виде компонентов более сложных изделий:

например, цыплята и грибы в соответствующих сухих супах; черника, персики, земляника и бананы в смеси с сухими кукурузными хлопьями; крабы, омары, креветки или тунец в салатных смесях. Объем сбыта этих продуктов сравнительно невелик, и его рост зависит не от улучше­ ния. оборудования сублимационной сушки. Если спрос на продукты, полученные сублимационной сушкой, воз­ растет, то изготовители оборудования, возможно, обра­ тятся к СВЧ-методам обработки как к средству, позволя­ ющему на базе создания установок непрерывного действия увеличить количество выпускаемой продукции.

3. Затраты труда. Простой пример уменьшения за­

трат труда дает использование СВЧ-энергии при заключи­ тельной сушке хрустящего картофеля. При такой тех­ нологии практически исключается появление пережарен­ ных ломтиков, которые обычно приходится отбраковывать вручную [1]. Значительное уменьшение затрат труда ча­ сто можно получить и в других процессах, если они мо­ гут быть переведены из разряда неавтоматизированных в автоматизированные (непрерывные) 121.

4.Качество продукции. Применение СВЧ-энергии ча­

сто позволяет существенно повысить качество продукции.

Вкачестве примера можно снова привести операцию за­ ключительной сушки хрустящего картофеля. Во многих районах страны и в неблагоприятное время года изго­ товители хрустящего картофеля должны покупать сырье по более высоким закупочным ценам, так как другое сырье не отвечает предъявляемым требованиям. Приме­ нение СВЧ-энергии предоставляет изготовителям более широкие возможности в выборе сырья.

5.Производственные площади. Операции расстойкии

выпечки с применением энергии СВЧ занимают прибли­ зительно половину времени, обычно затрачиваемого на расстойку, и в несколько раз меньшее время, чем для обычной выпечки. Кроме того, оказывается возможным значительно сократить производственные площади, от­ водимые под эти операции, либо соответственно увели­ чить объем выпускаемой продукции. При правильном экономическом анализе следует учитывать в денежном выражении дрстигаемую экономию производственных пло­ щадей.

6. Ремонтопригодность. Оборудование для СВЧ-на-

грева можно сконструировать таким образом, чтобы эксплуатацию его осуществлял персонал, не имеющий специальной подготовки по электротехнике или электро­ нике. И действительно, такое оборудование должно быть создано, хотя бы в первые годы применения СВЧ-техники. Простои оборудования обходятся дорого, особенно когда на предшествующих операциях занято много рабочих. В качестве примера такого процесса упомянем рассмо­ тренную в книге линию по обработке домашней птицы. Цыплят режут на части, и затем они* тут же конвейером подаются в варочные установки непрерывного действия. Стоит СВЧ-оборудованию выйти из строя или порваться ленте конвейера, как рабочим, занятым разделкой птицы, приходится прекращать свою работу до окончания ремон­ та; такие простои могут приводить к очень большим поте­ рям.

В целях облегчения обслуживания разработаны уста­ новки с многомодульной конструкцией источников СВЧэнергии. Как уже говорилось выше, в такой конструкции можно быстро переключить разъемы и заменить неисправ­ ный модуль. Дефектные модули можно впоследствии от­ ремонтировать с помощью компетентных специалистов и затем хранить на складе запасного оборудования.

7. Стоимость генератора и к. п. д. Стоимость 1 квт-ч

энергии СВЧ-генераторов в течение их срока службы составляет приблизительно 2 цента. Если эту величину разделить на количество продукта (в кг), которое можно

обработать этой энергией, то получится сумма расходов на 1 кг продукта. Эта сумма сильно меняется от продукта

к продукту. Расчеты стоимости окончательной сушки хрустящего картофеля, выполненные в работе [3], дали величину около 0,6 цента на 1 кг хрустящего картофеля.

Вработе [1] отмечается, что фирмы, выпускающие хру­ стящий картофель, не могут позволить себе не использо­ вать СВЧ-энергию на заключительной операции сушки.

Вэтой работе основное внимание обращается не на стои­ мость СВЧ-энергии, а на увеличение выхода продукции и использование более дешевого сырья. Для к. п. д. генера­ тора сообщались значения от 25 до 80%. Более высокие значения обычно соответствуют идеальным условиям,

например, работе на согласованную нагрузку. Для'СВЧ-плит массового производства мощностью 1—2 кет к. п. д.

составляет 30—40%, и эти значения можно считать до­ вольно надежными. Приведенные значения относятся, конечно, к к. п. д. преобразования мощности сети в мощ­ ность СВЧ. К. п. д. связи, т. е. отношение потребляемой СВЧ-мощиости к генерируемой, меняется, по-видимому, в еще более широких пределах. Так на заключительной операции сушки хрустящего картофеля к. п. д. связи может быть меньше 20%, а при варке домашней птицы может достигать 90%.

В области проектирования СВЧ-оборудования для об­ работки пищевых продуктов сделаны первые шаги. Бы­ стрый рост заинтересованности в этой технике будет только способствовать ее совершенствованию. Но все еще многие вопросы должны быть более глубоко иссле­ дованы. Сюда относятся, например, управление паразит­ ным излучением, оптимальная связь с плохими нагруз­ ками и контроль за температурой продуктов. Для успеш­ ной разработки эффективного процесса обработки пищевых продуктов с использованием энергии СВЧ нужны объеди­ ненные усилия специалистов по электронике, механике, химии и технологии пищевой промышленности.

Б.Необходимые исследования. Целый ряд вопросов

вэтой сравнительно новой области применения СВЧтехники требует детального изучения. Можно надеяться, что, поскольку интерес к данной области растет, этим вопросам будет уделено некоторое внимание и разработ­ ки будут проводиться не наугад, а более планомерно. Возможно, наилучшим способом содействия развитию данной области будет организация свободной дискуссии по основным научным проблемам, которая стимулировала бы интерес к фундаментальным научным исследованиям. Ниже вниманию читателя предлагаются несколько на­

в тепло в каждой точке объема тела пропорционально тан­ генсу угла потерь в этой точке.

Это утверждение справедливо для любого тела, пока

речь идет об участках, расположенных в пределах глу­ бины проникновения, или толщины поверхностного слоя. Это утверждение означает, что в неоднородных телах мо­ жет и будет происходить неоднородный нагрев', причем локальный приток тепловой энергии будет определяться локальным тангенсом угла потерь. Следовательно, вводя умышленно неоднородности у поверхности объекта или вблизи нее, можно обеспечить кондуктивное или конвек­ ционное охлаждение. Этот прием оказался весьма эффек­ тивным в процессе полимеризации подушек автомобиль­ ных сцдений СВЧ-энергией [4]. На форму, в которой по­ тери были малы, накладывался материал с высокими по­ терями. Под действием СВЧ-энергии происходил нагрев формы от материала с высокими потерями, и вследствие этого в форме получалась подушка с пенистой структурой. Полимеризация происходила полностью как на краях, так и по объему подушки. Если бы дополнительные потери не были введены, то форма отводила бы тепло от поверхности пеноструктуры, в результате чего края подушки были бы липкими, а ее внутренняя часть пере­ грелась и стала бы недостаточно прочной.