Термическая обработка продуктов с использованием СВЧ-ЭНЕРГИИ

СВЧ-нагрев позволяет значительно интенсифицировать технологические процессы пищевых производств, связанные с нагревом продукции, а также разработать новые их виды, особенно комбинируя СВЧ-нагрев с традиционными способами энергоподвода, такими как варка, сушка, стерилизация, пастеризация, размораживание, сублимация и ряд других. СВЧ-нагрев позволяет реализовать безотходные и энергосберегающие технологии в пищевой промышленности, значительно увеличить выпуск готовой продукции без больших капитальных затрат на строительство предприятий, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.

Для разработки и эксплуатации установок СВЧ-нагрева необходимо обосновать параметры технологического процесса, иметь представление об электрофизических свойствах продуктов и основах расчёта процесса.

В настоящее время разработан целый ряд приборов для генерирования СВЧ-энергии, однако в промышленных масштабах наибольшее распространение получили магнетроны, которые наиболее полно удовлетворяют совокупности предъявляемых требований и при минимальных геометрических размерах обеспечивают мощность до десятков кВт. К настоящему времени разработаны магнетроны большой мощности, с значительным ресурсом и КПД, превышающим 75 %.

Принципиально СВЧ-аппарат состоит из следующих элементов: источника питания: преобразователя СВЧ-энергии; устройства для подачи СВЧ-энергии; устройства связи, передающего энергию к нагрузке (продукту); устройства, создающего равномерный характер распределения энергии при нагреве; собственно нагревательной камеры с транспортным устройством; системы СВЧ-ловушек и герметизирующих уплотнений, предотвращающих излучение в окружающую среду, а также системы управления с обратной связью между элементами.

Процессы термической обработки чрезвычайно разнообразны: варка, бланширование, размораживание, разогрев и т. д. В то же время все они не просто связаны с изменением температуры продукта. Каждый из этих процессов объединяет целую группу явлений, протекающих взаимосвязано, с разными скоростями и с различными конечными результатами.

Не всегда быстрое доведение продукта до температуры готовности при традиционных темпах нагрева даёт желаемый результат, так как при этом возникает необходимость учёта кинетики протекания химических реакций и физико-химических превращений (например, гидролиз коллагена при нагреве мясных продуктов). В большинстве случае эти трудности преодолимы за счёт рационального сочетания СВЧ-нагрева с другими видами подвода теплоты.

Ещё одним важным преимуществом СВЧ-нагрева является его равномерность.

Вообще при выборе метода нагрева, в том числе и СВЧ, следует руководствоваться не только экономическими соображениями, но и его специфическими особенностями, что в ряде случаев является решающим.

ПРОМЫШЛЕННАЯ СВЧ-ПЕЧЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

1 – ось; 2 – эксцентриковый механизм; 3 – стол вращающийся; 4 – стенки рабочей камеры; 5 – рабочая камера; 6 – крышка рабочей камеры; 7 – коромысло; 8 - шток; 9 - гидроцилиндр; 10 – диссектор; 11 – волновод; 12 - основание

В нижней части цилиндрической рабочей камеры установлен вращающийся стол с осью. Эксцентриковый механизм обеспечивает столу поступательное движение. Т.о. при работе СВЧ-печи стол с размещёнными на нём изделиями совершает вращательно-поступательное движение, благодаря которому обеспечивается высокая равномерность нагрева изделий. Диссектор предназначен для выравнивания распределения СВЧ-поля в рабочей камере. Крышка рабочей камеры открывается и закрывается посредством гидроцилиндра со штоком и коромыслом.

Ввод СВЧ-энегрии в рабочую камеру осуществляется через волновод, входное отверстие которого расположено в зоне размещения диссектора.

В нижней части цилиндрической рабочей камеры установлен вращающийся стол с осью. Эксцентриковый механизм обеспечивает столу поступательное движение. Т.о. при работе СВЧ-печи стол с размещёнными на нём изделиями совершает вращательно-поступательное движение, благодаря которому обеспечивается высокая равномерность нагрева изделий. Диссектор предназначен для выравнивания распределения СВЧ-поля в рабочей камере. Крышка рабочей камеры открывается и закрывается посредством гидроцилиндра со штоком и коромыслом. Ввод СВЧ-энегрии в рабочую камеру осуществляется через волновод, входное отверстие которого расположено в зоне размещения диссектора.

58 Общие сведения об ультразвуке

УЛЬТРАЗВУК – это упругие звуковые колебания высокой частоты (104 – 108 Гц).

Ультразвук способен интенсифицировать многие физические и физико-химические процессы.

История практического применения ультразвука такова. В конце прошлого века судостроители заметили, что, если скорость вращения корабельных винтов превысит определенный предел, их лопасти быстро изъязвляются. Как выяснилось, причина этого явления - кавитация, то есть возникновение в жидкости микропузырьков, в которых при быстром схлопывании за доли миллисекунды температура повышается до тысяч градусов, а давление - до сотен атмосфер. Когда такие пузырьки схлопывались близ поверхности винта, они её повреждали.

Позже, после создания генераторов ультразвука, в которых использовались эффекты электро- и магнитострикции, обнаружили, что кавитацию вызывают волны разрежения и сжатия. Долгое время казалось, что это явление интересно лишь с чисто научной точки зрения.

Ультразвуковые волны в жидкости

В последние годы выяснилось, что высокая температура и большое давление, возникающее в кавитационных пузырьках, способны инициировать многие необычные процессы. Например, в воде при облучении ультразвуком образуется перекись водорода и молекулярный водород; в такой среде многие органические вещества разлагаются, а неорганические соединения испытывают окислительно-восстановительные превращения.

Ультразвук способен ускорять и взаимодействия различных реагентов, для чего можно использовать простые технологические установки.

Ультразвук можно с успехом применять для подготовки питьевой воды и очистки сточных вод; он вызывает реакции полимеризации и деполимеризации.

Особенно эффективен ультразвук для приготовления различных композитов и эмульсий - например, кремов и майонезов.

Некоторые данные указывают также на то, что ультразвук ускоряет проращивание семян и рост растений.

Источники ультразвука.

Источниками ультразвуковых колебаний являются различные колеблющиеся тела, преобразующие электрическую или механическую энергию в колебательную.

В качестве источников ультразвуковых колебаний применяют различные излучатели:

- аэродинамические;

- механические;

- гидродинамические;

- электромагнитные;

- электродинамические;

- магнитострикционные;

- пьезоэлектрические.

Выбор источника зависит от:

- необходимой мощности,

- технологических и конструктивных показателей оборудования,

- требуемой скорости процесса.

СХЕМА РАБОТЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

а – щелевой с симметричным закреплением резонансной пластины; б – щелевой с консольным закреплением резонансной пластины

Гидродинамические преобразователи позволяют получить звуковые и ультразвуковые волны непосредственно в жидкости, при столкновении струи, вытекающей из сопла, с какой-либо преградой.

При совпадении собственной частоты пластины с частотой импульсов давления, возникающих в струе, пластина впадает в резонанс и создаёт звуковые или ультразвуковые колебания в окружающей жидкой среде.

Достоинства гидродинамических преобразователей:

- проще и надёжнее электромеханических источников звука, так как для своей работы не требуют сложных электронных или машинных генераторов;

- они обеспечивают хорошее перемешивание и гомогенизацию продукта;

- просты в изготовлении;

- удобны;

- устойчивы в эксплуатации.

Недостатки гидромеханических преобразователей:

- Низкий к.п.д.;

- Невысокая интенсивность звуковых колебаний.

КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

а – одностержневого; б – многостержневого; в – преобразователя с мембраной

В основе работы магнитострикционных преобразователей лежит способность некоторых металлов (никель и никелевые сплавы) изменять свои размеры под действием магнитного поля.

Если никелевый стержень поместить в жидкость, то при колебаниях его торцы будут излучать звуковые волны с частотой, равной частоте тока генератора.

СХЕМА РАБОТЫ И УСТРОЙСТВА ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО ИЗЛУЧАТЕЛ

а – схема пьезоэлектрического устройства пьезокварцевого излучателя; б – схема работы при одностороннем излучении

Эти излучатели применяют для получения ультразвуковых колебаний высоких частот (от 200 кГц и выше) и высокой интенсивности – порядка нескольких десятков Вт/см².

Под действием переменного напряжения толщина кварцевой пластины изменяется в такт с изменение напряжения. При этом плоские поверхности кварцевой пластины, помещённой в жидкость (см. на схеме б), излучает ультразвуковые волны.

ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для работы пьезокерамических преобразователей требуются небольшие напряжения (100-400В).

Для возбуждения колебаний в керамических преобразователях на их боковые поверхности наносятся слои серебра, к которым подводится напряжение от высокочастотного генератора.

Значительная доля подводимой энергии уходит на нагрев излучателя. Для отвода этого тепла пьезокерамические преобразователи нуждаются в интенсивном охлаждении, на что расходуется дополнительная энергия.