Обробка харчових продуктів у високочастотному і надвисокочастотному полях

Якщо харчовий продукт, що є діелектриком, помістити між двома пластинами конденсатора в створене поле високої частоти (більше 10 кГц), то продукт рівномірно нагріватиметься по усій його товщині. Це пояснюється тим, що під дією електричного поля високої частоти в продукті відбувається поляризація молекул, що супроводжується інтенсивним коливанням молекул і рівномірним в усьому об'ємі продукту виділенням тепла, яке швидко підвищує температуру продукту.

Інтенсивність нагрівання продукту залежить від частоти f електричного поля, потужності, що витрачається, і електрофізичних властивостей продукту.

Електрофізичні властивості продукту характеризуються

1) відносної ε' і абсолютною діелектричною проникністю (в Ф/м), зв'язок між якими має вигляд

ε ' = ε _а / ε ₀, (5.42)

 

де ε ₀ – абсолютне значення проникності для вакууму (ε ₀ = 8,854 10^–12 Ф/м);

2) тангенсом кута діелектричних втрат, який визначається так;

 

tgδ = х /(ω ε ' ε ₀), (5.43)

 

де х – питома електрична провідність, См/м;

ω = 2 π f – окружная частота вращения, с^–1.

Добуток ε ' tgδ = ε '' називають коефіцієнтом втрат діелектрика. Величини ε ', tgδ і ε '' є електрофізичними характеристиками матеріалу, що дозволяють розрахувати втрати енергії в нім.

Для харчових продуктів, що містять багато води, значення ε ', tgδ і ε '' близькі до відповідних значень цих величин для води, що містить мінеральні солі в природній пропорції. Для багатьох зернових культур, олійного насіння, м'яса, риби, овочів, фруктів та ін. ці величини експериментально визначені І.А. Роговим, П.Л.Старчеус, С. В. Некрутманом та ін.

Зі збільшенням частоти електричного поля зростає швидкість нагріву, причому міра збільшення нагріву зазвичай вище, ніж міра збільшення частоти поля. Встановлено, що з підвищенням частоти електричного поля зменшується глибина Δ (в м) проникнення поля в продукт, що нагрівається. Це видно з наступної формули для визначення Δ:

Δ = 9,55 10¹¹ / (f tgδ √ ε '), (5.44)

 

При виборі частоти поля прагнуть забезпечити підведення до продукту необхідної потужності, необхідну глибину проникнення поля і ефективну роботу генератора ВЧ.

Напруженість поля Е також впливає на величину потужності, що поглинається продуктом. Допустима величина напруженості поля в продукті обмежена його електричною міцністю: при значному збільшенні напруженості може статися електричний пробій, який приведе до псування продукту. Тому при виборі режиму нагріву допустиму величину напруженості електричного поля Е _доп в продукті вибирають в 1,5…2 разу менше пробивної напруженості Е _пр.

 

Е _доп = (0,5…0,7) Е _пр. (5.45)

 

Питома потужність N (в Вт/м³), що виділяється в одиниці об'єму діелектрика, визначається по формулі

 

N = 0,555 ε ' tgδ Е² 10^–12. (5.46)

 

При заданій швидкості нагрівання Δ Т / Δτ питома потужність N_н (в Вт/м³) на нагрівання розраховується по формулі

 

N_н = ΔТ ρ с / (Δτ η_н), (5.47)

 

де Δ Т / Δ τ – збільшення температури в одиницю часу, К/с;

ρ – щільність продукту, кг/м³;

η _н – термічний к.к.д. процесу нагрівання;

с – питома теплоємність продукту, Дж/(кг К).

У випадку витрат тепла на випар питому потужність N_и визначають по формулі

 

N _и = r Δ М / (η _и Δ τ), (5.48)

 

де Δ М – збиток вологи в одиницю часу, кг/(м³ с);

r – питома теплота випару, Дж/кг;

η _и – термічний к.к.д. процесу випару.

Мінімальна частота f ′_min (в Гц) для процесу нагрівання знаходиться по формулі

 

f ′_min = ρ с Δ Т 10¹² / (0,555 η _иΔ τ ε ' tgδ Е² _доп) (5.49)

 

і для процесу випару f ″_min (в Гц) по формулі

 

f ″_min = r Δ М 10¹² / (0,555 η _иΔ τ ε ' tgδ Е² _доп). (5.50)

 

Робоча частота поля для теплової обробки продуктів повинна бути не менш f ′_min и f ″_min.

ВЧ - і НВЧ -нагрів використовується при сушці вологих матеріалів, обжарюванні, варінні, дефростації, стерилізації і пастеризації ряду рідких харчових продуктів. ВЧ - і НВЧ -нагрів харчових продуктів – прогресивний технічний прийом, що дозволяє інтенсифікувати теплові процеси.

При сушці у високочастотному полі тепло виділяється рівномірно в усьому об'ємі тіла, але внаслідок тепловіддачі від зовнішньої поверхні температура глибинних шарів виявляється вище, ніж на поверхні. Різниці температур і вологості, що виникають в матеріалі, прискорюють переміщення вологи з глибини тіла до поверхні в десятки і сотні разів в порівнянні з конвективною сушкою.

Переваги ВЧ -нагрева як швидкісного обмежуються частенько технологічними вимогами до висушуваного матеріалу як харчового продукту. Тому, наприклад, при сушці солоду високочастотну енергію можна використати у вигляді коротких імпульсів. На підставі досліджень оптимальне співвідношення між періодом нагріву солоду в полі ТВЧ і періодом продування його повітрям складає 30/90 с/с.

Внаслідок підвищеної витрати електроенергії на 1 кг випарованої вологи ВЧ -сушка нині застосовується тільки у поєднанні з конвективною.

Промислова установка (мал. 5.33), розроблена П.А. Старчеус і використовувана для сушіння насіння коріандру на Алексєєвськом ефіромаслоекстракційном комбінаті, є вертикальний короб прямокутного перерізу 300×1000 мм, що має зони I, II, III, IV і V, через які послідовно переміщається висушуване насіння.

Вологе насіння поступає в зону I сушарки, де воно піддається нагріванню струмами високої частоти з f = 27 Мгц, і починається процес сушки насіння. Далі в зоні II насіння продувається підігрітим в калорифері повітрям і з них знімається волога, що вийшла на поверхню. Потім в зоні III здійснюється вторинний нагрів насіння ТВЧ, а в зоні IV – продування підігрітим повітрям і отримання насіння із заданою кінцевою вологістю. Сухе насіння через розвантажувальний пристрій поступає на охолодження в зону V, а потім – на зберігання. При впровадженні цього способу сушки значно скоротилися втрати ефірної олії в порівнянні з сушкою в шахтних сушарках і при продуктивності сушарки 100 т/доб отриманий економічний ефект 215 тис. крб. в рік.

На мал. 5.34 приведена схема установки для сушки хрусткої картоплі в полі НВЧ на кінцевій стадії технологічного процесу. Сушарка складається з двох паралельних тунелів, виготовлених з нержавіючої сталі, із загальною системою воздухоснабжения. Кожен тунель живиться від магнетрона потужністю 25 кВт через хвилевід 1. На кінці тунеля встановлюється пастка 2, в якій затухає енергія, що не поглинулася продуктом. При шарі картоплі на конвеєрній стрічці 76…125 мм, температурі повітря від вентилятора 3 ~100°С, тривалість обробки 2,5…4 хв і вологості сухої картоплі 2% продуктивність установки складає 636…980 кг/год.

 

Малюнок 5.33 Схема конвек- Малюнок 5.34 НВЧ -

тивно-високочастотної сушар- установка для сушіння

ки для насіння коріандру хрусткої картоплі

 

ВЧ - і НВЧ -методи нагріву використовують для обжарювання какао бобів, кави, м'яса і м'ясопродуктів, птаха, дефростації м'яса, риби, овочів, фруктів, плодів і ягід, варіння в ковбасному виробництві, стерилізації і пастеризації рідких продуктів.