CC BY
44
664.72.04.001.5
ТЕРМООБРАБОТКА ЗЕРНА МИКРОВОЛНОВЫМ ПОЛЕМ
Ю.К. ГУБИЕВ, С.П. ПУНКОВ, Р.К. ЕРКИНБАЕВЛ
Московская государственная академия пищевых производств
Восстановление хлебопекарных свойств дефектного зерна многие исследователи рекомендуют осуществлять путем интенсивной термообработки зерновой массы для инактивации амилолитиче-ских и протеолитических ферментов.
Исследования, проводимые Московской государственной академией пищевых производств и Отделением биоэнергетики Академии энергоинформационных наук, позволили обосновать безальтерна-тивность микроволнового нагрева зерновой массы
Селективный микроволновый нагрев зерна происходит достаточно быстро, диссипация электромагнитной энергии по объему зерновой массы обеспечивает объемное испарение влаги, скорость ее испарения в каждой зерновке превышает скорость переноса пара внутри зерна, так как в объемах гранул возникает градиент общего давления, при этом среднеобъемная температура не превышает 60°С [2]. В связи с этим влагосодержа-ние периферийных слоев отдельных зерен больше, чем внутренних, что полностью исключает опасность возникновения явления "закала” их оболочек [2].
Величина уровня диссипируемой мощности (суммарной плотности тепловой мощности) р-£ при диссипации энергии электромагнитного поля во влажном материале, согласно [1, 3], определится выражением:
V г?2
Pi = £о ", Е.,ф
pv
+
где
(1)
диэлектрическая постоянная;
Жаф = ЕГ1— эффективный вектор напряженно-V сти электрической составляющей
поля.
Ослабление интенсивности поля, по мере проникновения микроволновой энергии в объект нагрева, описывается законом Бугера—Ламберта:
(2)
Рх = РоХех ?(.-kzx)>
тае РІ> PVoZ
соответственно суммарные плотности тепловой мощности на глубине х и х = 0, Вт/м3;
— суммарный коэффициент поглощения, //м.
Исследование комплексного взаимодействия микроволнового поля с системой полярных молекул в [1] показало, что закон Бугера—Ламберта в своем классическом виде применим для ограниченного гомогенного диэлектрического слоя бесконечной толщины. В случаях бесконечного слоя ограниченной толщины цилиндра или шара суммар-
НЫЙ коэффициент поглощения не является достоверной характеристикой интенсивности диссипации энергии поля, так как меняет свое значение в каждом конкретном случае и теряет свой физический смысл в связнодисперсных диэлектрических системах, находящихся в состоянии их поляризационного насыщения. Это предопределило необходимость поиска, физического обоснования и ввода переменной комплексного типа F-% (фактор йнтегральной диссипации энергии микроволнового поля), учитывающего изменение электрофизических характеристик диссипирующей субстанции в процессе нагрева и деформации распределения энергии электромагнитного поля при объемном взаимодействии полярных молекул.
Из (1) следует, что
п т
= КФ[Ъ + 2 £"J BV.(3)
l’ v J
Ввод величины F% обусловил необходимость физического обоснования оценки достоверности, разработки и реализации метода определения фактора интегральной диссипации электромагнитной энергии в объектах микроволнового нагрева на рабочих уровнях излучаемой мощности в спектре частот Av многомодового поля по фактическому поглощению энергии системой полярных молекул [1].
Комплексное взаимодействие микроволнового поля с неравномерно распределенной в зерне влагой вовлекает ее молекулы в поляризационное движение с частотой изменяющегося поля. Вектор поляризации уменьшается обратно пропорционально среднеобъемной температуре нагрева Т, что влечет уменьшение значения Fтем самым микроволновой нагрев стимулирует выравнивание пространственного распределения интенсивностей внутренних источников тепла [1].
Отношение радиуса кривизны г и высоты h калориметрической системы выбраны таким образом, что флуктуация интенсивности диссипации энергии микроволнового поля в радиальном направлении для произвольных значений г не превышала 2% и процесс диссипации обусловлен объемным эффектом комплексного взаимодействия совокупности полярных молекул с переменным полем, проникающая интенсивность которого характеризуется только р^(г) * const [4].
Измерение температуры Т радиопрозрачной коаксиал ьно-цилч.‘ дрической калориметрической системы, заполненной влажным зерном, осуществляли с помощью четь'рехканального термоизмерительного зонда, состоящего из хромель-копеле-вых термопар диаметром 0,1 мм в комплекте с автоматическим потенциометром КСП-4 в момент
чй яюяеГ£Д
ЯВНОСТИ Д1‘С-
1т сяоя злаче* 'йрЯйГ ОВ0Й X ЛНЭЛ^КтрИ-1С10ЯММИ ИХ
кюпр^дс^и-гп пгоокона-
!ГГ ШПЯ /'У'
■ршк микронными >,иек7-рующей суб-мдптг ряспрй-л-п прч сПь-
¡КТЯ
^Л1Е . (Н)
э^;:.ичи1.1ь ПД'ериС!' Ш.
Щ1^КЕ1П фак очг гнхт ной зЩгк|а Н1 ¡а Л и ^п^к-
I ИУДЧ^СлЦМу
Щ ислскул
¡гиэЛДнсцзпГо г :к?:ни впд-ьпа^никчпя атн Гектор
ррптгЙИЙВ1 кчгрйчр Т, там ШмыМ гаййЩгйе
Г'ЙЧСЛШК'
1 иыплы ЯГНЧ ПГ1[;£-1к^сип аинй
ЯЛК -К'л МЗ-
\ г № тре-
| уу* (^Й'|5Я
£ КН\] "ЕИ"7-
^ ¡к'р^^^н-Гк КСгТ0[1С 1ЧЛ
0
ЭЯЧНПЙ Кф-■ || М Ч 6 :■ Пий
1 исущест-гокюиаМй-:л 1гК01 ]Г'ле
■7.1Г.1Й1(1С^ С ': ^ МиМ^ЧТ
отключения микроволнового поля. Погрешность метода не превышала 4% [4].
Оценка дисперсионных соотношений и р-£ пшеницы Саратовская-29 для усредненных значений влажности II, %; теплоемкости с3(и, Т), Дж/(кг-К) и плотности рт(и, Т), кг/м3 при разных г, мм калориметрической системы (по осевому распределению температурного поля), рассчитанных по методикам [4}, (табл. 1) свидетельствует, что относительные изменения рт при разных и и Ане превышают 2%, при этом относительные
/ г*-»\ и Г I
изменения с АТ) для отдельных значении и не превышают 1,5%; а относительное изменение с,Ш, Т) в диапазоне 14<£/<30% составляет 29%.
Следовательно, в условиях данного эксперимента изменением плотности можно пренебречь (А рт -* 0), а изменение влажности зерна АII = =53% влечет изменение теплоемкости Асз почти на 30%. что предопределяет значения величин Р-£(и, г) и р-£{и, г). При изменении влажности зерна в 2,14 раза усредненная плотность диссипи-рующей мощности увеличивается в 2,61 раза. Физически это означает, что каркас зерна представляет собой радиопрозрачный материал, капил-лярно-поровое пространство которого заполняется влагой, последняя и взаимодействует с многомодовым микроволновым полем.
1-10%
Рис. 1
Пространственно-влажностные кривые (рис. 1) наглядно демонстрируют увеличение численного значения с увеличением влажности зерна, т.е. с увеличением и мелкодисперсных диэлектрических материалов возрастают значения дисперсионных характеристик объектов нагрева, что приводит к увеличению интенсивности взаимодействия поля й вещества, выраженной в повышении внутренних источников тепла рпричем их локализация происходит в зонах повышенного влагосодержа-ния. Сопоставительный анализ кривых: и. — 14, и, - 16, из — 18, И, — 22, и% — 24, иь — 30% — показывает, что влажное зерно пшеницы как
физический объект комплексного взаимодействия с микроволновым полем в диапазоне и 0 и 30% практически радиопрозрачно (2,60-106< /■£*< 15,0-106 В2/м2), а глубина зоны поляризационного насыщения Аг = ктс зависит от влажности и уровня подводимой мощности.
Если принять, что Ар£ <0,05 рг’хтзХ’ то п° КРИ_ вым рис. 1 легко установить пределы изменения /V, которые в нашем случае будут 1$<1гнас<22,5 мм [4]. Именно в этой зоне активной диссипации энергии микроволнового поля теряется смысл суммарного коэффициента поглощения ку, а значение фактора интегральной диссипации /^достигает своего максимума.
При микроволновой термообработке зерновой массы локальные источники тепла в каждой зерновке возбуждают значительные величины Д£/ и АТ, что стимулирует образование внутренних напряжений и создание опасности появления внутренних трещин. Варьируя градиентом температуры по объему зерновок с помощью р-£ и температурой сушильного агента Ть, можно нейтрализовать порчу зерна. Именно по этой причине широкое распространение получают комбинированные методы обработки, например, конвективная термообработка с использованием микроволнового энергоподвода в импульсно-периодическом режиме.
Сопоставительный анализ экспериментальных исследований по микроволновой термообработке зерна тритикале в потоке воздуха перед его конвективной сушкой, описанных в [2], показывает, что кривые сушки, независимо от способа микроволновой обработки, представляют монотонные убывающие кривые, асимптотически приближающиеся к значениям равновесной влажности, причем по мере увеличения длительности микроволновой обработки обменные процессы во влажном зерне при его конвективной сушке интенсифицируются, несмотря на постоянство параметров сушильного агента. Так, для фиксированных температур сушильного агента 60, 70, 80 и 90°С относительное уменьшение расхода удельной энергии »составит 2,3~2,6%_, при этом средняя
скорость сушки зерна —— возрастает в 1,5-2
а г
раза [2].
Предпочтительность выбора микроволнового энергоподвода для обработки зерна, помимо вышеперечисленных факторов, обусловлена также отсутствием токов проводимости в диссипирующей субстанции; значимой величиной скин-слоя в объектах микроволнового нагрева; отсутствием опасности электрического пробоя по объему зерновой массы.
Однако, наряду с перечисленными преимуществами, микроволновой нагрев обладает существенными недостатками: неравномерностью распределения температурного поля по объему объектов нагрева; наличием вероятности образования в продуктах канцерогенов; дороговизной одного киловатт-часа микроволновой энергии.
Первый недостаток устраняется рациональным выбором конструкции устройства ввода микроволновой энергии и представляет инженерную задачу средней сложности, второй — снижением плотности диссипируемой мощности по,объему обрабатываемого материала до 1-5 Вт/см3. Третий недостаток является решающим при определении экономической целесообразности выбрра метода энерго-
подвода, так как 1 кВт-ч микроволновой энергии обходится потребителю приблизительно в 20 раз дороже, чем энергии переменного тока. Однако даже при таком соотношении цен можно указать технологию, в которой микроволновый энергоподвод может быть экономически оправдан.
Непосредственное взаимодействие вещества и поля позволяет осуществить квазиадиабатический нагрев зерновой массы (преодолевая ее теплоинер-ционность) и безинерционно управлять уровнем диссипируемой мощности по объему каждой зерновки, что стимулирует значительную интенсификацию теплотехнологических процессов.
Однако фактор интенсификации не всегда приводит к экономической выгоде, а в ряде случаев даже способствует удорожанию конечного продукта. Поэтому использованию микроволновой энергетики должны предшествовать тщательное изучение процесса с технологической точки зрения и экономическая оценка целесообразности этого шага. Примером такого взвешенного подхода является использование уникальных возможностей микроволнового нагрева для избирательной диссипации влажного дефектного зерна — проросшего или пораженного клопом-черепашкой. Микроволновой нагрев обеспечивает комплексную термообработку зерновой массы в потоке воздуха. При этом преодолевается теплоинерционность зерна: происходит частичная потеря влаги, когда она практически сосредоточена в зародыше или в зоне прокола клопом-черепашкой; инактивируются протеолити-ческие ферменты; снижается газообразующая способность муки из дефектного зерна; укрепляется ее клейковина; снижается сопротивление каналов миграции влаги. После микроволновой обработки зерно досушивается традиционными методами, длительность сушки значительно сокращается [5].
Комплексная микроволновая обработка влажного зерна тритикале перед конвективной сушкой позволила укрепить его клейковину настолько, что полученный из него хлеб отвечал всем требованиям [2].
Исследования по формированию укрупненных партий зерна с использованием предложенного нами способа [5] показали, что комплексная микроволновая термообработка всей массы дефектного зерна перед ее рециркуляционно-конвективной сушкой способствует интенсификации процесса сушки и повышению классности партии зерна.
С целью реализации способа комплексной микроволновой термообработки зерна перед рецирку-ляционно-конвекгивной сушкой рассчитывали производительность Пт микроволнового устройства непрерывного действия:
Пт =
dmз
d г
ио “
Р S У
др
(5)
где
т— масса зерна, кг;
площадь сечения, м2; время, с;
ьдр — скорость дрейфа зерновой массы, м/с.
Мощность диссипации энергии электромагнитного поля по объему зерновой массы в зоне мик-
роволнового нагрева Р2 можно оценить с помощью уравнения энергетического баланса и значенияр”,
/>2= идрсг(и,Т)АТ=Ппсз(и,Т)АТ, (6)
откуда Пт будет:
Пт =
c3(U,T)AT ■
(7)
150 0 ,
<rdc
Рис. 2
Расчетные значения Я'" для разных Р2 и разности температур нагрева АТ представлены в таблице. На рис. 2 приводятся зависимости Ят(Р2> U, АТ = 65 К) и Г!т(АТ, U, Р2 = 1,5 кВт), которые наглядно демонстрируют их линейный характер, при этом изменение влажности зерна в диапазоне 74<U<30% при Pj. = const незначительно влияет на величину Я"1.
Площадь поперечного сечения 5 определяется геометрическими размерами сечения зоны микроволнового нагрева по заданной неравномерности пространственного распределения температурного поля ATduns2K, значения Т), таблице и
методике, описанной в [1].
Ввод электромагнитной энергии осуществляется с помощью щелей в свернутом волноводе путем направленного излучения, обеспечивающего минимальную флуктуацию температурного поля по азимуту й в радиальном направлениях (ДТ<2К) для модельных наполнителей (мокрые древесные опилки) в статике.
Геометрические размеры зоны микроволнового нагрева определили конструкцию шнекового уо> ройства непрерывного действия для микроволно-
вой
ало
1 I
пер| шн етс и м ств эне вое 5 1 деР эне
ну
ри<
час
ген
/
пЛі КГ (І ) <ґйс
< и разно-ены в табли-ГИ Пт(Ри, Вт), которые зш характер, в диапазоне гльно влияет
определяется зоны микро-зномерности [пературного , таблице и
:уществляет-юводе путем ;ающего много поля по ях (АТ<2К) е древесные
роволнового екового уСТт ликроволно-
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ГШЩЕВЛЛ ТЕХНОЛОГИЯ, № 1-2, 1995 89
Таблица
и, % сз• Дп/кг-К Рт. Калориметрические измерения Расчетная производительность микроволновой системы при разных мощностях генератора
г, мм ґ|Ю_6, № рі; ю“6. Вт/Я2 К РХ = 1,5, кВт Рх = з, кВт РХ = 4,5, кВт Рх = 6. кВт
14 1839,4 1398,9 15 6,71 0,66 65 43,75 87,50 131,25 175,00
1869,4 30 6,02 70 40,62 81,24 121,86 162,48
1889,0 =2% 45 4,63 75 37,92 75,84 113,26 151,68
1899,0 60 2,60 80 35,54 71,08 106,62 142,16
16 ’ 1955,6 1385,0 15 9,56 1,04 65 41,09 82,19 123,27 164,36
1994,4 30 9,51 70 38,15 76.30 114,45 152,60
2021,4 = 1% 45 7,60 . 75 35,61 71,22 106,83 142,44
2021,6 60 4,78 80 33,39 66,78 100,17 133,56
18 2073,6 1372,5 15 11,4 1,32 65 41,10 82,10 123,30 164,40
2108,4 30 11,0 70 38,16 76,32 114,48 152,64
2125,8 =0,2% 45 9,8 75 35,60 71,20 106,80 142,45
2131,6 60 7,5 80 33,39 66,78 100,17 133,56
22 2271,1 1355,1 15 11,9 1,44 65 35,94 71,88 107,82 143,76
2280,5 30 11,8 70 33,37 66,74 100,11 133,48
2311,0 = 1% 45 10,5 75 31,15 62,30 93,45 124,60
2311,8 60 9,3 80 29,20 58,40 87,60 116,80
24 2334,4 1351,2 15 12,2 1,39 65 34,75 69,50 104,25 139,00
2355,4 30 11,3 70 32,27 64.54 96,81 129,08
2376,3 = 1% 45 10,0 75 30,12 60,24 90,36 120,48
2390,6 60 8,7 80 28,23 56,46 84,69 112,92
30 2597,6 1350,9 15 15,0 1,72 65 31,01 62,02 93,03 124,04
2638,6 30 14,1 70 28,79 57,58 86,37 115,16
2663,0 = 1% 45 12,6 75 26,87 53,74 80,61 107.48
2679,2 60 10,2 80 25,19 50,38 75,57 100,76
вой обработки влажных мелкодисперсных материалов (рис. 3) в импульсно-периодическом режиме.
Дефектное зерно поступает в приемный бункер 1 и под действием сил гравитации самотеком перемещается в зону захвата радиопрозрачным шнеком 2. Далее зерно принудительно перемещается с т)д вдоль корпуса микроволнового модуля 3 и минует зону его микроволнового нагрева, осуществляемого устройством ввода электромагнитной энергии 4. Нагретое и претерпевшее микроволновое воздействие зерно поступает в концевой желоб 5 и покидает рабочую зону модуля также под действием сил гравитации. Электромагнитная энергия направленного излучения поступает в зону микроволнового нагрева через стенки диэлектрического цилиндра 6, являющегося составной частью корпуса микроволнового модуля, при этом генератор микроволновой энергии 7 питается от
источника 8, а микроволновое излучение передается с помощью волновода 9.
Радиопрозрачный шнек приводится в движение редуктором /0, обороты которого регулируются электроприводом //.
выводы
1. Закон Бугера—Ламберта в своем классическом виде может быть использован только для неограниченного гомогенного диэлектрического слоя бесконечной толщины. Для объектов другой геометрической формы коэффициент поглощения
не является достоверной характеристикой и теряет свой физический смысл.
2. Интенсивность взаимодействия микроволнового поля с неравномерно распределенной влагой в зерне целесообразно характеризовать учитывающей весь комплекс диссипативных эффектов в спектре частот многомодового поля, изменение
Рис. 3
диэлектрических свойств объектов нагрева и искажение картины распределения поля.
3. Для радиопрозрачных каркасов интенсивность диссипации прямо пропорциональна влажности материала. По мере уменьшения влажности увеличивается локальный расход энергии микроволнового поля, приходящийся на единицу массы испаряемой жидкости, замедляются обменные процессы, что способствует большей локализации энергии в зонах с повышенной влажностью.
4. Выбор микроволнового обеспечения в технологических процессах должен оцениваться безаль-тернативностью его использования с точек зрения технологической, экологической и экономической.
ЛИТЕРАТУРА
1. Губиев Ю.К. Научно-практические основы теплотеКноло-гических процессов пищевых производств в электромагнитном поле СВЧ: Авторе*, дис. ... д-ра техн. наук. — М., 1990. — 686 с.
2.
3.
Анискин В.И., Губиев Ю.К., Еркинбаева Р.К. Особенности микроволновой термообработки зерна тритикале перед конвективной сушкой. — М.: РАСХН, НТВ ВИМ,
1993. — Вып. 867. — С. 22-27.
Ауэрман Л.Я., Губиев Ю.К. CfiV-обработка проросшего зерна пшеницы / / Хлебопекарная и кондитерская пром-сть. — 1980. — № 9. — С. 17-19.
Анискин В.И., Еркинбаева Р.К., Губиев Ю.К., Ермек-баев С.В. Особенности микроволнового нагрева влажного зерна тритикале и пшеницы. — М.: РАСХН. НТВ ВИМ,
1994. — Вып. 88. — С. 28-32.
Ауэрман Л.Я., Губиев Ю.К., Яковлева Л.В. Снос )6 приготовления „зерна к переработке в муку. А.с. 847566 СССР. МКИ° В02В 1/10 МТИПП (СССР). № 2914964128-13; Заявл. 07.03.80.
Кафедра физики
Поступила 02.02.95
664.87.66.096.5
КИНЕТИКА ПРОЦЕССА ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫМИ КОЛЛОИДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Г.В. КАЛАШНИКОВ, И.Т. КРЕТОВ
Воронежская государственная технологическая академия
Исследование закономерностей поглощения влаги крупяными продуктами и табачными листьями показывает отклонения при описании процесса влагопоглошения капиллярно-пористыми коллоидными материалами [1, 2] на основании формулы, предложенной A.B. Лыковым [3].
Экспериментальные исследования процесса гидротермической обработки и варки перловой, гречневой и рисовой круп при атмосферном давлении [4] показали, что в процессе влаготепловой' обработки изменяется характер присоединения влаги материалом, хотя интенсивность изменения влаго-содержания, а следовательно, и влагопоглошения крупами в течение варки не является монотонно убывающей. Достаточно подробно механизм увлажнения крупы, связь влаги с материалом в
Нход
дбфактвого
эерва
Выход
обработанного
зерна
