What the radiofrequency heating of foods?


Radio frequency (RF) heating is a form of dielectric heating in which heat is generated volumetrically within the food, as in the case of microwave and ohmic heating. The food to be heated is placed between the plates, or electrodes. Electrical energy is dissipated via heating resistance of the food (in the same way as in ohmic heating). For example, the high-frequency field may be applied via horizontal electrodes between which a conveyor belt passes carrying food pieces (figure 6.4). This is in contrast to the application of microwave radiation where the food is placed in a reflective enclosure and heating is due largely to dipole rotation. RF radiation generates heat due to the electrical resistance of the food but differs from ohmic heating because the food does not have to be in direct contact with the electrodes; for example, radio frequency waves can pass through conventional food packaging such as plastic and cardboard. RF uses lower frequencies, and therefore greater wavelengths, than microwave heating figure 6.1). The frequencies available for industrial heating are 13.56, 27.12 and 40.68 MHz compared to the 915 or 2450 MHz used for microwaves.

 

Figure 6.4 – Radio frequency heating [14].

Radiofrequency dielectrically heating and drying have been used for many years in wood-working, textile and food industry. Since at dielectrically heating energy is transferred to a product directly, there are a few advantages of applying of microwave heating compare to convective way (reduction of time and space, improving product quality etc.)

Bakery products, crackers and dry breakfasts with low fat should be dried carefully because high density of dough makes them fragile. In order to remove last 1-2% of moisture sometimes it is necessary to overheat crust that may lead to damage, crushing and crumbling. Radiofrequency heating generates electromagnetic energy with bigger wave lengths than at microwave heating. This type of heating is aimed on product, not an air surrounded product. Since inner part is heated faster than its surface, radiofrequency processing is directed on removing moisture from inner layers making uniform moisture distribution within a product and escaping overheating and dehydration of product surface.

Объясните смысл равновесного влагосодержания. Что представляют собой изотермы сорбции и десорбции? Количественное соотношение воды и сухих веществ в продукте оказывает существенное влияние на выбор параметров сушки и на условия хранения сухого продукта. Если в продукте, предназначенном для сушки, содержится много белков, то максимальная температура сушки не должна вызывать их денатурацию. Количество в продукте сахаров определяет количество воды, которое можно удалить при сушке, чтобы не происходило реакций меланоидинообразования при хранении. С биологической точки зрения решающей характеристикой продуктов является не количественное содержание в них воды, а ее состояние. Состояние влаги в продукте (способность материала удерживать воду) характеризуется равновесным влагосодержанием [6, 7]. Равновесное влагосодержание – то, при котором давление водяного пара над продуктом будет равно парциальному давлению водяного пара в окружающей среде. При этом температура продукта равна температуре окружающего воздуха. Равновесное влагосодержание определяет способность продукта удерживать влагу и играет большую роль при сушке. По значению этого показателя определяют связь влаги с материалом; потенциальную возможность воздуха, как сушильного агента; условия хранения высушенных продуктов; вид тары для упаковки сушеных продуктов. Значение равновесного влагосодержания входит в уравнение продолжительности сушки, так как удаление влаги при сушке происходит только до равновесного влагосодержания, которое соответствует определенным параметрам сушильного агента. Удаляемая влага при сушке (Wу) определяется как равность влагосодержания продукта (W) и равновесная влажность (Wр):   Wу = W - Wр (4.10) Равновесное влагосодержание зависит от влажности и температуры воздуха и способа достижения его равновесия. Графически зависимость между равновесным влагосодержанием продукта и влажностью воздуха при определенных постоянных значениях температуры называется изотермой сорбции или десорбции продукта. Если равновесие достигнуто путем поглощения влаги из окружающего воздуха, то получается изотерма сорбции. Если же равновесие достигнуто при отдаче влаги продуктом окружающему воздуху, то образуется изотерма десорбции (сушка). Равновесное влагосодержание определяется экспериментально по изотермам сорбции и десорбции, так как различные формы связи влаги с материалом и разнообразие структур продуктов не позволяют определить его аналитическим путем. При определении равновесной влажности продукт выдерживают в воздушной среде с постоянной влажностью и температурой до равновесного состояния. Изотермы сорбции и десорбции растительных продуктов имеют S-образный характер. Для одного и того же продукта они совпадают только при очень малых и очень больших значениях относительной влажности воздуха, при других значениях – не совпадают. При этом образуется площадь гистерезиса. Изотермы сорбции располагаются выше, чем изотермы десорбции и равновесное влагосодержание при одинаковом значении относительной влажности воздуха при десорбции больше, чем при сорбции. Причины гистерезиса для растительных продуктов заключаются в том, что в капиллярно-пористых материалах в капиллярах содержится воздух. Это уменьшает смачиваемость капилляров при сорбции. Поэтому, если предварительно выдержать сухой материал в глубоком вакууме перед сорбцией, то площадь гистерезиса уменьшается или исчезает совсем, и кривая сорбции приближается или совпадает с кривой десорбции. Рисунок 4.5 – Типичные изотермы сорбции [8]. Участок изотерм подразделяется на 3 области, А, В и С, которые характеризуют различные вид связи влаги с материалом. Для капиллярно-пористых материалов S-образные изотермы сорбции и десорбции сначала в области малых значений А (φ = 10-20 %) обращены выпуклостью к оси абсцисс. Это соответствует мономолекулярной адсорбции. При реальной сушке материала влага, связанная мономолекулярной адсорбцией, не удаляется. Затем выпуклость кривой обращена к оси ординат (φ = 60 %) – область В. На этом участке происходит полимолекулярная адсорбция. В дальнейшем изотерма плавно переходит к пологой кривой, наклоненной к оси абсцисс. Это соответствует переходу к осмотически и кипиллярно-связанной влаге. На пологом участке С происходит поглощение воды макрокапиллярами при непосредственном соприкосновении материала с водой. Равновесное влагосодержание, которое соответствует максимальной степени насыщения воздуха парами воды (φ = 100 %) называется гигроскопическим влагосодержанием. С повышением температуры значение гигроскопического влагосодержания уменьшается. Гигроскопическое состояние пищевых продуктов охватывает значительный диапазон влажности и на удаление этой влаги приходится значительная часть времени сушки, т.к. в этот период удаляется наиболее прочно связанная влага. Основные компоненты плодов и овощей – сахароза, крахмал, пектин и клетчатка оказывают различное влияние на связь влаги с материалом. Величина равновесного влагосодержания при одинаковой относительной влажности и температуре воздуха наибольшая у пектина (а, следовательно, наибольшая и энергия связи), несколько меньшая у крахмала и самая меньшая у сахарозы. Поэтому влага наиболее прочно связывается пектином, затем крахмалом, клетчаткой и сахарозой. Содержание этих компонентов в растительных материалах оказывает существенное влияние на продолжительность процесса сушки. На рисунке 4.6 показаны возможные формы различных сорбционных изотерм. Тип 1 называется изотермой Лангмюра (Langmuir), полученной при мономолекулярной адсорбции газа пористыми телами в ограниченном объеме пустот. Тип 2 – сигмовидная изотерма, найденная для растворимых продуктов. Тип 3 известен как изотерма Флори-Хиггинса (Flory-Higgins) для растворителей или пластификаторов. Тип 4 представляет адсорбцию набухаемых твердых тел. Тип 5 – это многослойная изотерма адсорбции (BET) для воды или древесного угля. Изотермы типов 2 и 4 относятся к пищевым продуктам. Изотермы сорбций различных пищевых продуктов приведены на рисунке 4.7. Рисунок 4.6 – Различные типы адсорбционных изотерм [8]. Рисунок 4.7 – Изотермы сорбций различных пищевых продуктов Сделайте анализ кривой сушки. Как изменяется скорость сушки? В процессе сушки влажных материалов происходят взаимосвязанные процессы тепло- и массообмена между материалом и сушильным агентом. Наружные процессы характеризуются внешним массообменном – испарением влаги, т.е. движением пара от поверхности материала в окружающее воздушное пространство и внешним теплообменом между нагретым газом и поверхностью материала. При испарении влаги с поверхности нарушается равновесие. Внутренние части продукта имеют более высокую влажность и, соответственно, более низкую температуру по сравнению с поверхностными слоями. За счет разности влагосодержание поверхностных и внутренних слоев возникает градиент влагосодержания. Это приводит к процессам внутреннего тепло- и массообмена, при которых происходит перемещение влаги из внутренних, более влажных слоев, к поверхностным и оттуда уже происходит ее испарение. Благодаря наличию градиента влагосодержания происходит непрерывное уменьшение влажности во всем объеме высушиваемого продукта. На перемещение влаги внутри продукта влияет также и термодиффузия, которая обусловлена перепадом температур. Под ее влиянием влага перемещается от участков с более высокой температурой к участкам с более низкой температурой. При низкотемпературной сушке термодиффузия не имеет существенного значения, но при высокотемпературной сушке она оказывает существенное влияние на процесс сушки. Так, например, при конвективной сушке явление термодиффузии препятствует перемещению влаги из внутренних слоев к поверхности, так как температура внутренних слоев (за счет более высокого влагосодержания) ниже. Поэтому в таких случаях рекомендуется применять осциллирующий режим сушки с поочередной подачей холодного и горячего воздуха. Это вызывает совпадение направления диффузии и термодиффузии влаги и процесс сушки ускоряется. При ускоренных методах сушки (при температурах выше 100 0С) испарение влаги происходит равномерно по всему объему продукта, и влага внутри перемещается в виде пара. Это приводит к появлению градиента давления, так как скорость превращения воды в пар выше, чем скорость выхода его из продукта. За счет этого ускоряется перемещение влаги.
Рисунок 4.8 – Кривая сушки
Процессы внутреннего и внешнего тепло- и массообмена между собой взаимосвязаны и приводят к изменению массы продукта в процессе сушки. По изменению массы продукта в процессе сушки нельзя сравнивать работу различных сушильных установок. Для этого пользуются графическим изображением изменения влагосодержания по времени (W-τ), которое называется кривой сушки. Кривая сушки представлена на рисунке 4.8.

Анализируя кривую сушки, можно выделить ряд участков. Участок АВпериод подогрева продукта. В этот период влагосодержание изменяется незначительно. Этот период можно выделить при низкотемпературных режимах сушки продуктов в высоком слое. Участок ВСпериод постоянной скорости сушки. Он характеризуется постоянными скоростью снижения влагосодержания (за равные промежутки времени удаляется одинаковое количество влаги) и температурой материала. В этот период удаляется преимущественно свободная влага. Этот период продолжается до наступления критического влагосодержания (wк). На кривой сушки этому моменту соответствует точка С. Критическое влагосодержание – граница между периодом постоянной (1-й период) и падающей (2-й период) скоростями сушки.

В периоде постоянной скорости сушки интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента и не зависит от влагосодержания и физико-химических свойств продукта.

В периоде падающей скорости сушки (участок СД на кривой сушки) скорость сушки уменьшается по мере снижения влагосодержания продукта. Температура продукта увеличивается и к концу периода приближается к температуре сушильного агента. Процесс сушки продолжается до достижения равновесного влагосодержания, после этого удаления влаги прекращается. В этот период удаляется связанная влага, и постепенное снижение скорости сушки объясняется увеличением энергии связи влаги с материалом. В этот период процесс удаления влаги зависит от влагосодержания, характера связи влаги с материалом, физико-химический свойств материала и параметров сушильного агента.

По кривым сушки определяют скорость сушки в любой период времени. Скорость сушки определяется как тангенс угла наклона касательной, проведенной через данную точку кривой сушки, соответствующую определенному влагосодержанию материала.

 

tgσ= (4.11)

 

Максимальная скорость в период постоянной скорости сушки определяется по формуле:

 

tgσмакс.. = ( )макс. = N (%/ч или %/мин)

 

К концу процесса при равновесной влажности скорость сушки равна 0 (рисунок 4.9).

Процесс сушки можно охарактеризовать по методу приведенной скорости сушки. На основании этого метода можно определить продолжительность сушки. Приведенная скорость сушки – отношение скорости сушки при данном влагосодержании материала к максимальной скорости первого периода. Она определяется по уравнению:

 

Ψ = : ( )макс. =

Значения приведенной скорости сушки изменяются от 0 до 1. Для периода постоянной скорости сушки при w ≥ wк; ψ = 1, а в конце сушки при достижении равновесного влагосодержания w=wк; ψ = 0.

Рисунок 4.9 – Кривая скорости сушки [8].

Метод приведенной скорости сушки позволяет исключить влияние параметров сушильного агента на интенсивность процесса сушки. Зависимость метода приведенной скорости сушки только от физико-химических свойств материала и вида связи с материалом позволяет использовать уравнение продолжительности сушки в расчетах сушильных установок любой производительности.

На основании уравнения 4.13 путем интегрирования от начального влагосодержания до критического определяют продолжительность процесса сушки.

Продолжительность сушки τ (мин) определяется по уравнению:

τ=

Показатель степени m является постоянной величиной для данного материала, не зависит от формы и размера частиц, влагосодержания, способа и параметров процесса сушки. Он характеризует вид связи влаги с материалом, физико-химические свойства материала. Поэтому при испарении свободной влаги в периоде постоянной скорости сушки m=0. Установлены 4 значения показателя m для пищевых материалов:

m = 0,5 - для хурмы, клубники, укропа, томатов, перца.

m = 1 - для картофеля, моркови, свеклы, петрушки, лука, сельдерея, капусты, зеленого горошка, абрикосов, яблок, груш, винограда.

m = 2 – для всех видов круп после гидротермической обработки и гороха.

При известных значениях показателя степени m уравнение 4.14 имеет следующий вид.

При m = 0,5:

τ=

При m=1:

τ=

При m=2:

τ=

 

где: W1, Wk, W2, Wр – влагосодержание материала начальное, критическое, конечное и равновесное, %; А и β – массообменные коэффициенты, определяющие перемещение влаги внутри материала. Величины этих коэффициентов зависят от размера и формы частиц (т.е. длины пути перемещения влаги внутри частицы), а также от фазового состояния перемещаемой влаги (т.е. от температуры и потенциала сушильного агента).

Величина коэффициента А с повышением температуры сушки уменьшается. Величина коэффициента β для одного и того же материала может иметь либо положительное, либо отрицательное значение в зависимости от фазового состояния перемещаемой влаги.

Коэффициенты А и β можно рассчитать по уравнениям:

 

А = с – dEср. (4.18)

 

β=еЕср. – f (4.19)

 

где: Еср. – среднеинтегральное значение потенциала сушки воздуха, определяется по формуле:

 

Еср.= (tс – tм)ср. (4.20)

 

где: tc и tм – температура воздуха, измеренная сухим и мокрым термометром, 0С.

с, d, e, f - постоянные коэффициенты, зависящие от вида материала, формы и размера частиц.

Скорость постоянного периода сушки определяется либо по кривой сушки (формула 4.11), либо по уравнению:

 

N = a + bEср.υρ(F/Mc )

где: а и b – постоянные коэффициенты, определяемые видом материала, формой и размером частиц; υρ- массовая скорость воздуха, кг/(м2×с). При сушке в неподвижном слое следует массовую скорость подставить в виде выражения: ; F/Mc – величина, обратная удельной нагрузке материала, м2/кг.

Критическое влагосодержание определяется по уравнению:

 

Модель Продолжительность сушки
Кинетическая модель, td – продолжительность сушки от начального Х1 достижения конечного влагосодержания Х2
N=N(X) (общая продолжительность)
N=Nc (период постоянной скорости сушки)
N=aX+b (период падающей скорости сушки
N=Ax X*≤X2≤Xc
Модель жидкой диффузии DL=const, X2=Xc пластина, одномерная диффузия, поверхность испарения при Х* Х – среднее содержание свободной влаги А – половина толщины плиты

Wк = k – lЕср. (4.22)

 

где: k и l – коэффициенты, зависящие от вида материала, формы и размера частиц.

Если сушка происходит в кипящем слое, то значение критического влагосодержания не зависит от величины массовой скорости воздуха и удельной нагрузки материала.

Значения равновесного влагосодержания Wр следует принимать в зависимости от температуры сушильного агента.

При температуре 100 0С и выше равновесное влагосодержание равно 0.

При температуре 90 0С равновесное влагосодержание равно 1.

При температуре 80 0С равновесное влагосодержание равно 3.

При температуре 60-70 0С равновесное влагосодержание равно 5.

Существует ряд моделей для расчета продолжительности сушки (таблица 4.3).

Таблица 4.3 - Модели скорости сушки для расчета продолжительности процесса [8].

Пример [4]. Начальное влагосодержание продукта 77% (по влаге), критическое влагосодержание 30% (по влаге). Рассчитайте время, требуемое для начала периода падающей скорости сушки продукта, если постоянная скорость сушки равна 0,1 кг Н2О/(м2с). Продукт имеет форму кубиков с размером граней 5 см, начальная плотность продукта 950 кг/м3.

Исходные данные:

Начальное влагосодержание – 77% (по влаге);

Критическое влагосодержание – 30% (по влаге);

Постоянная скорость сушки 0,1 кг Н2О/(м2с);

Размер продукта – кубики с гранями 5 см;

Начальная плотность продукта - 950 кг/м3.

Подход

Продолжительность периода постоянной скорости сушки будет зависеть от массы удаленной воды и скорости ее удаления. Масса удаленной воды должна быть выражена в пересчете на с.в., а скорость удаления воды должна рассчитываться для площади поверхности продукта.

Решение

9. Начальное влагосодержание:

0,77 кг Н2О/кг продукта=3,35 кг Н2О/кг с.в.

10. Критическое влагосодержание:

0,3 кг Н2О/кг продукта=0,43 кг Н2О/кг с.в.

11. Количество влаги, удаляемой в период постоянной скорости сушки:

3,35-0,43=2,92 кг Н2О/кг с.в.

12. Площадь поверхности продукта

0.05 m×0.05 m=2,5×10-3 м2 /сторона

2,5×10-3 ×6 сторон = 0,015 м2

13. Скорость сушки:

0,1 кг Н2О/(м2с)× 0,015 м2 = 1,5×10-3 кг Н2О/с

14. Используя плотность продукта, можно определить начальную массу продукта:

950 кг/м3×(0,05)3 м3=0,11875 кг продукта

15. Общее количество удаляемой воды:

2,92 кг H2O/кг с.в.×0,0273 кг с.в.=0,07975 кг H2O

16. Используя скорость сушки, рассчитаем продолжительность периода постоянной скорости сушки:

 









Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь