№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ЛОМАЧИНСКИЙ В.А., БАВАРИИ В.П., ЕСАУЛКОВ Д.О., ЗАВЬЯЛОВ М.А., ПРОКОПЕНКО А.В., ФИЛИППОВИЧ В.П.*
ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЧ-ЭНЕРГИИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Показана перспектива применения СВЧ-колебаний в энергоемких технологиях пищевой промышленности. Проведен анализ современного состояния исследований по разработке СВЧ-установок для пищевой промышленности. Приведены работы по созданию энергосберегающих технологий. Определены направления исследований по применению СВЧ-энергии в пищевой промышленности.
Введение. Одним из самых важных процессов переработки сельскохозяйственной продукции является тепловая обработка. Используя традиционные методы тепловой обработки, трудно достичь эффекта при совершенствовании процессов производства пищевых продуктов. Наиболее эффективный способ нагрева - использование энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля.
К особенностям сверхвысокочастотного нагрева следует отнести способность СВЧ-поля проникать в обрабатываемый продукт на значительную глубину, что позволит осуществить его объемный нагрев независимо от теплопроводности, отсутствие контакта с теплоносителем, безынерционность нагрева, высокий коэффициент преобразования СВЧ-энергии в тепло. Преимуществом объемного нагрева продуктов является высокая скорость нагрева. Использование СВЧ-нагрева при переработке сельскохозяйственных продуктов позволит значительно сократить длительность тепловой обработки, увеличить сохранность и повысить качество продукции и степень ее переработки и получить экономический выигрыш.
Создание установок для переработки сельскохозяйственной продукции проводится в научно-производственных центрах, где традиционно разрабатывали и производили СВЧ-технику. Промышленное пищевое оборудование должно быть приспособлено к сельскохозяйственному производству и учитывать его особенности: сезонность, мобильность, высокую производительность, универсальность. СВЧ-мощность магнетрон-ных генераторов в промышленных установках может достигать 100 кВт, но в таких установках используются генераторы мощностью 5-10 кВт. При эксплуатации данного оборудования предъявляется ряд требований: совместимость с энергосетями, наличие универсальных технологий переработки, высокая производительность, безопасность вырабатываемого продукта и наличие квалифицированного персонала для работы и обслуживания установки.
Основные закономерности трансформации электромагнитной энергии СВЧ-колебаний в тепловую описаны в [1, 2], там же приведены сведения о диэлектрических свойствах пищевых продуктов, сделана попытка обоснования режимов обработки, характерной для пищевого продукта. Рассмотрены принципы работы и конструктивные осо-
* Ломачинский В.А., Бабарин В.П., Филиппович В.П. - ГНУ ВНИИ КОП; Есаулков Д.О., Прокопенко A.B. - МИФИ; Завьялов М.А. - ГУП ВЭИ.
бенности устройств СВЧ-нагрева и их конкретного использования в отраслях пищевой промышленности.
Области применения СВЧ-сушильных агрегатов с пониженным давлением (вакуумная сушка) для обработки материалов, качество которых может необратимо ухудшиться при температурах 60-80°С: сушка лекарственных веществ и препаратов; приготовление экологически чистых, богатых витаминами продуктов питания с длительным сроком хранения приведены в работах [3, 4].
В работе показаны перспективы применения СВЧ-энергии в пищевой промышленности. Авторы статьи пытаются обобщить сведения по разработке СВЧ-установок и технологий для пищевой промышленности в РФ. В статье приведены результаты исследований по использованию СВЧ-энергии в пищевой промышленности. Определены направления исследований для создания новых эффективных технологий переработки пищевых продуктов.
Механизмы воздействия СВЧ-энергии на пищевые продукты
Механизм преобразования электромагнитной энергии СВЧ-диапазона в тепло состоит в том, что высокочастотное поле вызывает в диэлектриках потери, обусловленные поляризацией и проводимостью. Затрачиваемая энергия на смещения зарядов превращается в тепло. Эффективность поглощения энергии электромагнитного поля продуктом определяется структурой поля в месте расположения продукта, диэлектрическими характеристиками продукта на заданной частоте и физическими свойствами продукта.
Диэлектрические характеристики вещества определяют степень поглощения СВЧ-энергии веществом и глубину проникновения в него поля. Диэлектрическая проницаемость имеет комплексный характер е = е(1 - I tg 5). Действительная часть диэлектрической проницаемости е' показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет напряженность поля. Тангенс угла диэлектрических потерь tg 5' определяет численную величину диэлектрических потерь в образце. Для характеристики степени проникновения электромагнитного поля в материал вводится понятие глубины проникновения СВЧ-поля 5. Глубина скин-слоя 5 - это расстояние, при котором амплитуда электрического поля уменьшится в е раз при нормальном падении плоской волны на границу материала со свободным пространством. Для диэлектрических материалов, в которых ц = 1, глубина скин-
слоя записывается 5 = Х/( п tg 5е'0'5), где X - длина волны СВЧ-колебаний.
Потери СВЧ-мощности в несовершенном диэлектрике Рд равны
Ря = юео е'tg 5/| Бя\2 йь, (1)
у
где ю - циклическая частота, е0 = 8,854 ■ 10-12 Ф/м; Ед - амплитудное значение электрического поля в диэлектрике. Чем выше напряженность электрического поля в веществе, тем больше потери СВЧ-энергии в нем. Пищевые продукты - сложные вещества, в которых компоненты, имеющие различные е' и tg 5' могут размещаться произвольно. При нагреве таких неоднородных материалов в электрическом СВЧ-поле мощность источника распределяется неравномерно между различными составляющими. Однако при большом количестве таких включений, их малом размере и слабых полях нагрев неоднородных образцов можно считать практически однородным. При высоких значениях напряженности электрического поля из-за быстрого неоднородного нагрева компонентов продукта может происходить его разрушение по границам раздела на отдельные компоненты. Верхнее значение напряженности электрического поля Ед ограничивается пробивной напряженностью электрического поля. Для воздуха ее принято считать 30 кВ/см.
Диэлектрические характеристики воды
Питьевая вода
Температура, °С 20 60 100
80 65 51
(3 ГГц/1 ГГц) 0,21/0,03 0,07/0,01 0,04/0,006
5, см (3 ГГц/1 ГГц) 1,7/34 5,5/110 10,3/213
Дистиллированная вода
е'(3 ГГц/1 ГГц) 77,2/79,8
(3 ГГц/1 ГГц) 0,17/0,08
5, см (3 ГГц/1 ГГц) 2,1/14
Вода с содержанием КаС1, 3 ГГц, 20°С
Соль, % 1 2 4
73 70 62
5 0,31 0,45 0,8
5, см 1,2 0,9 0,5
Диэлектрические характеристики зависят от структуры вещества и частоты электромагнитных колебаний. Вещества с tg 5 > 0,01 принято считать несовершенными диэлектриками. Самым распространенным диэлектриком со значительными потерями из-за дипольной поляризации является вода, диэлектрические характеристики которой приведены в таблице.
Таким образом, диэлектрические характеристики веществ имеют сложную зависимость от частоты СВЧ-поля, температуры, примесей и т.д. Пищевые продукты относятся к классу несовершенных диэлектриков. Большинство из них в своем составе содержат несвязанную воду. Продукты с большим количеством воды имеют зависимость диэлектрических характеристик от влажности. В работе [4] приводятся диэлектрические характеристики большинства пищевых продуктов. Физико-химические характеристики пищевых продуктов растительного и животного происхождения (влажность, жирность, плотность, содержание солей и т.д.) колеблются в широких пределах, в процессе обработки эти характеристики также изменяются.
Сверхвысокочастотным диапазоном длин волн принято считать волны с частотами 0,3-30 ГГц. Для тепловой обработки продуктов используются следующие частоты: 433, 915 и 2450 МГц. Отечественной промышленностью выпускаются мощные магнетрон-ные генераторы, работающие на указанных частотах. На этих частотах глубина проникновения СВЧ-поля в вещество должна быть сопоставима с размерами продукта для обеспечения его эффективного объемного нагрева.
Определение диэлектрических характеристик веществ является одной из важных задач при разработке технологических установок по приготовлению, сушке и стерилизации пищевых продуктов. Существуют следующие методы измерения диэлектрических характеристик веществ: антенный, волноводный и резонаторный. Для измерения диэлектрических характеристик пищевых продуктов более других пригодны волноводные и резонаторные методы. Диэлектрические характеристики определяются по изменению характеристик волноводов и резонаторов при размещении в них малых количеств пищевых продуктов.
В пищевой промышленности СВЧ-нагрев используется для размораживания, сушки, стерилизации и приготовления пищевых продуктов. Все эти процессы имеют свою интенсивность, которая будет зависеть от СВЧ-мощности, прикладываемой к продукту,
изменения его диэлектрических и теплофизических характеристик по мере увеличения температуры.
Кроме эффекта теплового нагрева СВЧ-полем существует воздействие электрических и магнитных полей на уровне микроорганизмов. Эта область мало исследована [5]. Во многих работах отмечаются эффекты, когда отдельные виды микроорганизмов погибали и замедляли свое размножение при температурах гораздо ниже температуры стерилизации, что можно объяснить протеканием по веществу СВЧ-токов, которые разрушают клеточные организмы.
Таким образом, большинство пищевых продуктов являются несовершенными диэлектриками, которые могут подвергаться эффективному высокочастотному нагреву.
Развитие СВЧ-техники для использования при нагреве пищевых продуктов
Разработка установок СВЧ-нагрева. При создании установок СВЧ-нагрева для пищевой промышленности необходимо совместно решать электротехнические и тепло-физические задачи нагрева. Установки СВЧ-энергетики делятся по типу рабочей камеры на резонаторные; волноводные; антенные (излучательные). Критерием для выбора типа установки являются физические характеристики обрабатываемого продукта (размеры, объем, вес, теплоемкость, диэлект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.