Файл: Конспект лекций для студентов направления подготовки 15. 04. 02 Технологические машины и оборудование.pdf

50 где Т
R
- радиационная температура;
Т - температура данного (серого) тела со степенью черноты ;
С
0
- коэффициент излучения.
Существует ряд приборов, которые используют в качестве приемников теплового излучения. Одним из них является болометр, принцип действия которого основан на изменении сопротивления зачерненной металлической фольги при нагревании.
В основу метода исследования глубины проникновения ИК-излучения в материалы (характеризуется проницаемостью а, %) положен закон Бугера, который решается относительно коэффициента поглощения по формуле:
,
x
2
1
2
1
x
I
I
lg
2,3
a
(5.6) где I
1
,
I
2
- интенсивность излучения на расстоянии x
1
, x
2 от поверхности.
В настоящее время в качестве источников ИК-излучения применяют электрические или керамические излучатели с газовым обогревом.
При выборе излучателя учитывают:
 особенности технологического процесса;
 свойства материала;
 инерционность генератора излучения;
 интенсивность и длину волны излучения;
 санитарные требования;
 экономические показатели данного способа.
Излучатели в зависимости от размеров могут быть:
 точечные (рисунок 5.1, а), т.е. размер генератора и расстояние до облучаемой поверхности выражается (H/a 5);
 линейные (рисунок 5.1, б), когда один из определяющих размеров генератора значительно превосходит другой (L>> d);
 плоские (рисунок 5.1, в), для таких излучателей характерно отличие двух размеров от третьего (d и H L).
С целью наиболее полного использования излучения генераторы излучения снабжаются дополнительно отражателями, которые могут быть сферические, параболические, гиперболические, эллиптические.
Источник излучения устанавливают в главном фокусе отражателя.
Отражательную способность резко снижают загрязнения рефлектора, царапины.
Электрические излучатели. Основным элементом электрического излучателя является металлическая проволока (вольфрам и др.), которая, как правило, изготавливается в виде спирали и размещается либо в колбе, либо в трубке, выполненной из стекла, кварца или других материалов.
ИК-лампа-3-С (рисунок 5.2) представляет собой стеклянную колбу с внутренней параболической поверхностью и спиралью (вольфрам), мощность лампы составляет от 250 до 500 Вт. Продолжительность работы - 2000 часов.

51
Спектр ее излучения - = 0,8-6 мкм. С помощью таких ламп можно получать на поверхности продукта до 220-240 С при расстоянии 80-100 мм до объекта.
Рисунок 5.1 – Типы излучателей в зависимости от размеров
Недостатки: хрупкие; на поверхности может образовываться налет в виде капелек жира, бульона и т.д.
Рисунок 5.2 – ИК-лампа-3-С:
1 - цоколь; 2 - отражатель; 3 - нить накаливания (спираль); 4 - стеклянная колба
Лампа ИК-100 (рисунок 5.3) имеет кварцевую трубку, по основанию которой на тактовых дисках закреплена вольфрамовая спираль.
Характеристика: длина волны - 1 мкм; длительность работы - 5000 часов; позволяет получать температуру на поверхности 2540-2580 К.
Рисунок 5.3 –Лампа ИК-100:
1 - вольфрамовая спираль; 2 - кварцевая трубка; 3 - электрический ввод;
4 - цоколь; 5 - тактовые диски

52
Керамические излучатели (панельные) (рисунок 5.4).Данный вид излучателей позволяет получать длину волны 4 мкм. Они создают ровный тепловой поток ИК-излучения, наиболее долговечны по сравнению с остальными. Недостатки: большая инерционность; длительность нагрева
(предварительного) - 1,5 часа.
Рисунок 5.4. – Керамический излучатель
Газовые излучатели представляют собой керамические излучатели с газовым обогревом (рисунок 5.5). Они долговечны и позволяют получать температуру керамической поверхности равную 1000 1200 К.
Рисунок 5.5 – Газовый ИК-излучатель:
1- газовая горелка; 2 - корпус излучателя; 3 - распределитель температуры
(металлическая плита); 4 - керамическая посадка
ИК-излучение распространяется в пространстве только прямолинейно.
Поэтому при размещении излучателей в аппарате необходимо учитывать форму изделия и особенности технологического процесса. Целесообразно облучать изделие со всех сторон, если это допускает его форма. Наиболее предпочтительно излучение, нормальное к поверхности обрабатываемого изделия. Расположение излучателей снизу, особенно при обработке мясопродуктов, практически неосуществимо, так как выделяются бульон и жир, загрязняющие излучатель и отражатели. Внутреннюю обшивку облучательных камер необходимо изготовлять из материалов, обладающих

53 большим коэффициентом отражения, что позволяет создать более равномерный тепловой поток и повысить эффективность работы установки.
В результате тепловой обработки пищевые продукты претерпевают физико-химические изменения.
Физико-химическое действие электромагнитного излучения на продукт в значительной степени зависит от энергии кванта излучения, которая для ИК- излучения, используемого в технических целях, лежит в пределах
0,12 10 19
……2,6 10 19
Дж.
Доказано, что органолептическая оценка продуктов, запеченных ИК- энергией, не уступает таковой для продуктов, обработанных традиционным способом, а по некоторым показателям (вид, вкус) превосходит их.
Перевариваемость белков мяса после ИК-обработки по сравнению с традиционной практически одинакова. Гистологические исследования подтверждают высокие качественные показатели готовой продукции.
Особенности ИК-нагрева позволяют экономить значительное количество сырья. Так, при производстве консервов «Рыба в масле бланшированная» норму закладки можно уменьшить на 5 %, при этом конечные соотношения компонентов в банке и пищевая ценность консервов остаются в пределах, допустимых стандартом.
Замечено, что практически во всех случаях ИК-обработки наблюдается повышение качества и выхода готовой продукции, снижение энергетических затрат, упрощение конструкции аппаратуры. Особенно высокие значения фиксируются для такой качественной характеристики продукции, как выход готовых изделий: в зависимости от вида полуфабрикатов, а также типа генератора эта величина может повышаться на 7-11 % по сравнению с аналогичным показателем при традиционном способе обработки.
При электрокопчении с инфракрасной подсушкой можно использовать камеру в горизонтальном исполнении (рисунок 5.6). Продукт прикрепляют к рабочей ветви конвейера, по которой он перемещается вдоль инфракрасных излучателей, расположенных по обе стороны конвейера. Образующийся при нагреве жир стекает на поддон, откуда горячей водой он смывается в сборник.
В качестве источника инфракрасного нагрева применяют кварцевые лампы мо- щностью 4,6 кВт каждая, установленные вертикально вдоль стен камеры. В камере предусмотрено реле времени, обеспечивающее импульсный режим работы излучателей по заранее заданной программе. Расстояние между излучателем
685 мм. Общая длина зоны инфракрасного нагрева 15 м.
Использование газовых беспламенных горелок создает условия для возможного контакта продукта с веществами, содержащимися в продуктах сгорания. Жарочный шкаф (рисунок 5.7) максимально свободен от этого недостатка. Шкаф оборудован двумя расположенными горизонтально беспламенными газовыми горелками инфракрасного излучения. Продукт находится на стеллажах. Воздух, которым регулируется температура в камере, подсасывается через патрубки, расположенные около горелки, что практически исключает контакт отработавших газов с изделием.

54
Рисунок 5.6 – Камера для инфракрасной подсушки и прогрева мясопродуктов при электрокопчении: 1 - конвейер; 2 - ИК-излучатель; 3 - трубопровод; 4 - поддон; 5 - сборник жира
Рисунок 5.7 – Жарочный шкаф
1 - корпус; 2 - газовая горелка; 3 - газоподвод;
4 - штуцер отвода продуктов сгорания; 5 – направляющие

55
Вопросы для самоконтроля по теме 5:
1. Приведите примеры инфракрасных излучателей.
2. В чем преимущества обработки продуктов инфракрасным излучением?
3. Что является источником инфракрасных лучей?
4. Объясните суть инфракрасного излучения.
5. В каких отраслях пищевой промышленности применяется инфракрасное излучение?
6. Какой диапазон длин волн соответствует инфракрасному излучению?
7. Что происходит с электронами атомов и их энергетическим уровнем при инфракрасном излучении?
8. Запишите формулу потока излучения в общем случае.
9. Какие коэффициенты характеризуют взаимодействие материалов с лучистым потоком?
10. Запишите выражение Планка для излучения в виде квантов.
11. Что понимают под оптическими свойствами материалов?
12. Какие Вы знаете интегральные характеристики для излучателя и объема нагрева?
13. От чего зависят спектральные характеристики материалов пищевых продуктов?
14. По какому принципу составлена классификация пищевых продуктов по оптическим характеристикам?
15. Объясните причины наличия фазовых переходов в процессе инфракрасного излучения.
16. Объясните влияние упаковочной полимерной пленки на процесс инфракрасного нагрева.
17. Какая проницаемость упаковочной пленки рекомендуется при инфракрасном нагреве?
18. Объясните принцип действия спектрофотомера при работе по двухлучевой схеме.
19. Что такое болометр?
20. На чем основано определение спектральной отражательной способности продукта?
21. Объясните суть измеренного коэффициента отражения и коэффициента отражения эталона.
22. Что такое радиометры?
23. Поясните суть коэффициента излучения С
о
?
24. Какие приборы в качестве приемников теплового излучения?
25. Что лежит в основе метода исследования глубины проникновения инфракрасного излучения?
26. Приведите выражение, определяющие закон Бугера.
27. Что учитывают при выборе излучателя для инфракрасного нагрева?
28. Какие виды излучателей Вы знаете?
29. Какова роль отражателей для генераторов излучения?
Рекомендованная литература: [1, 2, 7, 10, 11].

56
6 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МЕТОД
НАГРЕВА ПРОДУКТОВ
Высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев пищевых продуктов позволяет значительно интенсифицировать термические процессы.
Процесс трансформации энергии электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в теплоту принято называть диэлектрическим нагревом или ВЧ (СВЧ)-нагревом.
Большинство пищевых продуктов и сред представляют собой с электрофизической точки зрения несовершенные диэлектрики. Они, как правило, имеют достаточно высокую диэлектрическую проницаемость и низкую электропроводность, обусловленную, как правило, свободными ионами вещества. Такие продукты и среды способны подвергаться диэлектрическому нагреву, который основан на смещении зарядов и связанных с ними молекул
(поляризации) при воздействии на вещество (продукт) переменного элетромагнитного поля. При этом на перемещение заряженных частиц затрачивается работа, которая из-за наличия внутреннего межмолекулярного трения превращается в теплоту.
В веществе (продукте) может возникать несколько видов поляризации: электронная, атомная, дипольная.
Электронная поляризация выражается относительным смещением среднего положения электронов относительно среднего положения атома.
Ионная (атомная) поляризация вызывается смещением положительных и отрицательных ионов в материале.
Дипольная поляризация обусловлена наличием постоянных диполей
(полярных молекул) вещества, которые в результате воздействия поля могут поворачиваться из случайных направлений в направление поля, вызывая тем самым поляризацию вследствие ориентации постоянных диполей.
Величина полной поляризации диэлектрика определяется суммарным эффектом всех перечисленных видов поляризации и обуславливает его диэлектрическую проницаемость.
Тепловую энергию, выделяемую в единице объема вещества в результате диэлектрического нагрева, принято характеризовать удельной мощностью (Р
уд
,
Вт/м
3
), которая согласно закону Джоуля-Ленца определяется по формуле:
Р
уд
= 0,556 · 10
-10
· ε' · tgδ · f · Е
2
,
(6.1) где ε'- относительная диэлектрическая проницаемость вещества;
Е - напряженность электрического поля в рассматриваемом объеме вещества, В/м;
δ- угол диэлектрических потерь; f - частота, Гц.
В соответствии с международным соглашением для промышленного применения разрешено использовать только отдельные участки СВЧ-диапазона волн (900±15 МГц и 2400±50 МГц). Поэтому СВЧ-аппараты используют только эти частоты.

57
Эффект объемного нагрева при тепловой обработке пищевых продуктов в переменном электромагнитном поле достигается благодаря проникновению поля в продукт на значительную глубину.
Под глубиной проникновения электромагнитного поля в продукт (среду) подразумевается расстояние Δ (м) от поверхности продукта внутрь, на котором мощность внутренних источников теплоты уменьшается в е раз и которое определяется по формуле:
Δ = 9,55 · 10 11
/ (f · (ε')
1/2
· tgδ).
(6.2)
Существенный технологический результат при использовании токов ВЧ- и СВЧ-обработки можно получить для ряда процессов, среди которых основное место занимают тепловые и массообменные (нагрев, стерилизация, размораживание, сушка, пастеризация).
Применение СВЧ-нагрева позволяет значительно интенсифицировать технологические процессы пищевых производств, связанные с нагревом продукции, а также разработать их новые виды, особенно комбинируя СВЧ- нагрев с традиционными способами энергоподвода, таким как варка, сушка, стерилизация, пастеризация, размораживание, сублимация и т.д. СВЧ-нагрев позволяет реализовать безотходные и энергосберегающие технологии, значительно увеличить выпуск готовой продукции без больших капитальных затрат, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.
В пищевой промышленности важным и трудоемким процессом является размораживание продуктов. Использование диэлектрического нагрева позволяет резко сократить продолжительность размораживания, а также улучшить качественные показатели продукции.
Преимущества метода следующие:
 относительно короткое время размораживания;
 отсутствие повышенной температуры на поверхности продукта;
 отсутствие роста бактерий;
 потери сока при нагревании мяса на порции незначительные (менее 1 %);
 длительность размораживания не зависит от толщины блоков (при ВЧ- нагреве);
 незначительная занимаемая площадь.
Вследствие кратковременности размораживания микробиальная обсемененность мяса после СВЧ-нагрева на порядок ниже, чем у сырья, размороженного в воздушной среде. Оценка санитарного состояния фарша показала, что микробное число опытных партий мяса на 30-40 % меньше, чем у контрольных. Таким образом, вареные колбасы, изготовленные из мяса, темперированного СВЧ-энергией, будут более устойчивы к хранению.
Доказано, что СВЧ-поле в отношении микрофлоры обладает бактерицидным и бактериостатическим действием. Было показано, что стерилизующий эффект СВЧ-поля явно выражен - выживаемость бактерий
(кишечная палочка) после такой обработки в два и более раз меньше, чем при тепловой обработке.

58
В целом бактерицидный эффект при СВЧ-нагреве проявлялся значительно раньше, чем при тепловом. Бактерицидное и бактериологическое действие является результатом селективного выделения энергии на множественных границах раздела бактериальной суспензии, имеющих более высокий коэффициент потерь.
Установлено, что СВЧ-нагрев обеспечивает эффективную пастеризацию
(не менее 99,5 %) мяса. Микробиологические исследования указывают на отсутствие микробов в период двухмесячного хранения, однако снижение органолептических показателей при хранении в полимерной упаковке обеспечивает сроки хранения восьмью неделями, что является значительным периодом.
Следует отметить, что СВЧ- и ВЧ-нагрев пищевых продуктов - достаточно сложная задача не только с точки зрения техники генерирования
СВЧ и ВЧ, но и со стороны особенностей строения и свойств продуктов.
Удельная мощность рассеивания энергии в материале зависит от его электрофизичесих параметров
(диэлектрическая проницаемость, проводимость), которые в свою очередь зависят от влажности и других факторов. В процессе тепловой обработки продукты подвергаются глубоким изменениям, в том числе и их диэлектрические свойства, что влияет на течение
СВЧ- и ВЧ-нагрева. Особенно этот эффект заметен при размораживании мяса, когда фактор потерь лавинообразно возрастает в десятки раз, и при сушке, когда влажность уменьшается, при этом фактор диэлектрических потерь уменьшается и соответственно уменьшается выделяемая энергия. Естественно, что управлять такими процессами трудно.
Электромагнитное поле СВЧ, проникая в пищевые продукты на значительную глубину, не обеспечивает абсолютно равномерного нагрева его во всем объеме. Такая неравномерность связана со следующими причинами: падением удельной мощности, неоднородностью состава и влагосодержания, формой изделия (продукта). Рекомендуется выбирать форму обрабатываемого изделия такой, чтобы его линейные размеры хотя бы в одном измерении не превышали удвоенного значения глубины проникновения Δ. В противном случае вследствие возникающего градиента температуры и избыточного давления возникают явления переноса теплоты и массы. В зависимости от этого, направление переноса может быть направленно как от периферии внутрь продукта, так и наоборот, а также менять знак в процессе СВЧ-нагрева.
Векторы переноса теплоты и массы могут как совпадать по направлению, так и быть встречными. Следует также отметить, что возникающее в процессе СВЧ- нагрева внутреннее давление из-за недостаточной скорости переноса массы
(т.е. влаговыделений) может привести к образованию трещин и пустот.
Поэтому рекомендуется сочетать СВЧ-нагрев с другими видами тепловой обработки, позволяющими избегать указанные недостатки.
В настоящее время имеется достаточно большое количество конструкций
СВЧ-аппаратов для обработки пищевых продуктов.
Их можно классифицировать по ряду признаков: 1) по мощности - малой мощности (до
1,5 КВт), 2) средней мощности (1,5-5,0 КВт), 3)большой мощности (5,0-10,0
КВт). По производительности – 1) малой (5-10 кг/час), 2) средней (15-40 кг/час),
3) большой (от 50 кг до нескольких тонн в час). По принципу действия –