Высокочастотные термические установки

В высокочастотных термических установках обрабатываемый продукт помещают в переменное электрическое поле между двумя металлическими пластинами – электродами (рис. 3.20), которые присоединяют к высокочастотному генератору мощностью несколько десятков или сотен киловатт в зависимости от требований технологического процесса. Воздействие этого поля происходит при отсутствии электрического контакта между электродами и продуктом, поскольку последний быстро разогревается из-за непрерывного смещения электрических зарядов в атомах и молекулах. Выделение тепла происходит по всему объёму обрабатываемого продукта вне зависимости от его теплопроводности и формы при одновременном прекращении жизнедеятельности микроорганизмов и сокращении времени его стерилизации. Скорость нагрева в высокочастотном поле во много раз больше по сравнению с прочими способами нагрева, а пригорание обрабатываемых продуктов полностью устранено. При этом окружающие детали технологического оборудования остаются холодными, что равносильно отсутствию тепловой инерции нагревательного устройства.

Рис. 3.20. Схема установки для термообработки пищевых продуктов в переменном электрическом высокочастотном поле.

 

Высокочастотные термические устройства используют не только для нагрева, но и для сушки пищевых продуктов, которая отличается высокой скоростью подвода тепла и интенсивным парообразованием в обрабатываемых продуктах. Такой вид обработки целесообразно проводить в условиях вакуума, когда сам процесс протекает при невысокой температуре порядка 12…20 С, благодаря чему сохраняется высокое качество пищевых продуктов.

Пищевые продукты, подвергнутые кратковременной тепловой обработке, сохраняют естественные вкусовые качества, а также содержание витаминов не только после воздействия переменного электрического высокочастотного поля, но и в процессе длительного хранения.

Количество энергии, поглощаемое продуктом, находящимся в переменном электрическом высокочастотном поле, определяется активной мощностью

Поскольку в рассматриваемых установках сдвиг фаз между напряжением и током близок к , полагая, что где - угол диэлектрических потерь, активную мощность можно представить так:

где - частота тока высокочастотного генератора; - ёмкость системы;

- напряжение, подведенное к электродам.

Для компенсации реактивной мощности высокочастотной термической установки, работающей с опережающим током, следует включать соответствующие индуктивные катушки с возможно малым активным сопротивлением обмоток.

Из последнего выражения видно, что для получения достаточной активной мощности, обеспечивающей генерирование тепла во всём объёме обрабатываемого продукта, следует увеличить частоту до нескольких десятков мегагерц, так как применять слишком высокое напряжение недопустимо, поскольку оно может привести к электрическому пробою продукта, находящегося между электродами.

Большое значение для термической обработки имеет форма электродов, между которыми находится обрабатываемый продукт, поскольку от неё зависит закон распределения электрического поля, а следовательно и равномерность распределения тепла по всему объёму нагреваемого продукта. Для каждого технологического процесса разрабатывают различные конструкции электродов, удобные для изготовления и эксплуатации.

Эксплуатация высокочастотных термических установок особой экономичностью не отличается, поскольку высокочастотные генераторы работают при сравнительно низком КПД порядка 0,5…0,6, вследствие чего электрическая энергия высокой частоты обходится в 1,7…2 раза дороже, чем электрическая энергия, отпускаемая из сетей энергосистем.

Для уменьшения электромагнитных полей рассеяния, создающих радиопомехи, всю высокочастотную термическую установку, в том числе и обрабатываемый продукт, надлежит надёжно экранировать.

На пищевых предприятиях высокочастотные термические установки используют для размораживания рыбы, мяса, овощей, фруктов, ягод и других замороженных продуктов. Преимуществами такого технологического процесса являются: резкое сокращение времени на обработку, равномерный прогрев продукта и устранение порчи его поверхностного слоя. Высокая себестоимость высокочастотной обработки вынуждает иногда заменять её электроконтактным нагревом переменным током частоты 50 Гц, например, при дефростации мелкой рыбы, замороженной в блоках.

В кондитерском и хлебопекарном производствах высокочастотный нагрев пищевых продуктов сочетают с другими способами нагрева, в частности с инфракрасным облучением, что зачастую снижает расход энергии и способствует улучшению качества выпускаемой продукции. Так, при обжарке ореховых ядер предварительный радиационный подогрев осуществляют электронагревателями, работающими на переменном токе частоты 50 Гц, а завершают процесс обработки в переменном электрическом поле высокой частоты. Хлеб, выпеченный в высокочастотном поле в течение нескольких минут, остаётся светлым, с румяной коркой, полученной при облучении инфракрасными лучами, обладает приятным ароматом и отличается сохранением витаминов.

Перспективно использовать сверхвысокочастотные термические установки периодического действия для быстрого приготовления пищи из сырых продуктов и размораживания, заранее приготовленных и замороженных блюд по новой технологии без использования воды, что сохраняет витамины и минеральные соли. Пища при этом не разваривается, форма и цвет продуктов остаются первоначальными. В пищевых продуктах, обработанных сверхвысокочастотным способом, происходит более сильный распад белков на аминокислоты, вследствие чего такие установки в первую очередь следует применять в больницах, диетических столовых и детских кухнях. Приготовление пищи сверхвысокочастотным способом основано на использовании электрической энергии переменного тока частоты 2450 МГц, обеспечивающей более высокую скорость прогрева, чем применяемые частоты 915 и 433 МГц, гарантирующие большую глубину проникновения энергии в продукт. Такой способ нагрева обходится значительно дешевле, чем на обычных электрических плитах, но несколько выше или равен по стоимости приготовления пищи на газе.

В сверхвысокочастотных печах тепловая обработка осуществляется с помощью электромагнитной энергии, получаемой от магнетронного генератора, являющегося составной частью установки, который включают нажатием соответствующей кнопки, находящейся на передней панели печи (рис. 3.21).

Пищевые продукты, подлежащие тепловой обработке, помещают в диэлектрическую посуду, вносят в рабочую камеру, которую закрывают дверцей. После нажатия кнопки включения печи, пользуясь реле времени, задают продолжительность тепловой обработки и этим обеспечивают начало технологического процесса, при котором в рабочей камере возбуждённое сверхвысокочастотное электромагнитное поле, воздействуя на обрабатываемые продукты, вызывает быстрый их разогрев. По истечении заданного времени срабатывает реле времени, рабочая камера отключается и прекращается тепловая обработка продуктов. Некоторые печи имеют встроенные инфракрасные излучатели с отдельным реле времени, которые применяют для образования корки на обрабатываемых пищевых продуктах. Наличие двух реле времени позволяет полностью автоматизировать технологический процесс. Длительность приготовления пищи в сверхвысокочастотных печах измеряется минутами, так как нагрев обрабатываемых продуктов происходит практически без внешнего теплообмена.

Рис. 3.21. Сверхвысокочастотная печь периодического действия:

1 – переключатели уровня мощности; 2 – жалюзи; 3 – реле времени; 4 – кнопка включения генератора; 5 - кнопка включения печи; 6 – рабочая камера;

7 – обрабатываемый продукт;

8 – диэлектрический съёмный лоток;

9 – дверца; 10 – ручка дверцы.

 

Сверхвысокочастотные термические установки периодического действия разделяют на установки малой - до 1,5 кВт, средней – от 1,5 до 5,0 кВт и большой мощности – свыше 5,0 кВт, которые работают с КПД 0,4…0,5. По производительности их относят к установкам малой – 5…10 кг/ч, средней – 15…40 кг/ч и большой производительности – от 50 кг/ч до нескольких тонн в час.

Поскольку сверхвысокочастотные печи по принципу действия не имеют горячих поверхностей, условия труда обслуживающего персонала облегчаются. В этих печах всегда предусматривают защиту людей от действия высокочастотного поля.

Сверхвысокочастотные термические установки непрерывного действия – конвейерные и роторные, - отличающиеся высокой эффективностью, можно использовать на пищевых предприятиях для размораживания, нагрева, сушки, стерилизации, пастеризации, консервирования и дезинсекции различных продуктов. Однако в каждом конкретном случае следует обосновать возможность и целесообразность применения токов сверхвысокой частоты с приведением соответствующих технико-экономических расчётов.