книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

Соответственно в диэлектрик направляется лишь V* часть падающей мощности, что весьма нежелательно. Приве­ денный пример указывает на возможность проявления резонансных эффектов в блоках замороженных продуктов. Сопротивление на лицевой поверхности диэлектрика в этом примере весьма мало и численно равно сопротивле-

Направление падающей волны

Фи г . 8. Диаграмма волны Т Е М , падающей на диэлектри­ ческую вставку толщиной, равной четверти длины волны (в диэлектрике).

Поле в диэлектрике неоднородно и меньше максимального поля в кууме.

нию в вакууме, деленному на диэлектрическую постоян­ ную. Последнее вызвано трансформирующим действием диэлектрической пластины. Для диэлектрической посто­ янной 8 = 4 сопротивление на лицевой поверхности ди­ электрика численно равно 7 4 сопротивления вакуумного пространства, что приводит к к.с.в.н. перёд лицевой по­ верхностью диэлектрика, равному 4. Таким образом, в случаях 2 и 3 максимум электрического поля в вакууме может быть значительно больше, чем в диэлектрическом продукте.

Случай. 4. Силовые линии поля Е перпендикулярны к слою диэлектрика. Для случая 4 предполагается, что элек­

трическое поле перпендикулярно большой диэлектри­ ческой пластине, частично заполняющей вакуумное про­ странство между двумя металлическими электродами, как

показано на фиг. 9. Это соответствует обычному диэлек­ трическому нагреву на низкой частоте. Диэлектрик разде­ ляется на два слоя — слой высушенного продукта и слой

Фи г . 9. Диаграмма для'составной диэлектрической модели.

Электрическое поле перпендикулярно поверхности диэлектрической вставки. Во время процесса сушки поверхности возгонки перемещаются одна к другой, встречаясь .в центре.

замороженного продукта (в центре). Можно показать для этого случая, что напряженность электрического поля в высушенном продукте запишется следующим образом:

(2)

^с = [(‘с)2+ к ) 2],/2‘

(3)

^3 = КЕз)2+°(еэ)ч1/2‘

Индексы 0, с, з относятся соответственно к вакууму, вы­ сушенному и замороженному слоям (фиг. 9). Как и в слу­ чаях 2 и 3, поле в вакуумном пространстве заметно боль­ ше, чем в продукте, поскольку диэлектрическая постоян­ ная продукта всегда больше постоянной вакуума. Следо-

вательцо, в случаях 2, 3 и 4 увеличивается тенденция к вакуумному пробою по сравнению со случаем 1, в котором напряженности полей в продукте и вакууме равны.

В. Составная диэлектрическая модель. Составную ди­

электрическую модель, представленную на фиг. 9, можно использовать для рассмотрения процесса сублимационной СВЧ-сушки. Последовательные температурные профили можно рассчитать для различных расположений переме­ щающихся поверхностей возгонки, заключенных между высушенным и замороженным продуктами с учетом того, что толщина замороженного слоя уменьшается в процессе возгонки. Параметрами, необходимыми для расчета, яв­ ляются общая толщина продукта, диэлектрическая посто­ янная и коэффициент потерь для замороженных и высу­ шенных продуктов, теплопроводность, рабочая частота и напряженность электрического поля в вакууме. Свой­ ства диэлектрика для замороженного и высушенного мя­ са показаны соответственно на фиг. 1 и 2. В работе [8] при­ водятся данные для других различных продуктов.

Зависимость теплопроводности замороженных продук­ тов от температуры исследовалась в работах [11 и 121. В работе [13] исследовалось влияние давления на тепло­ проводность высушенных продуктов.

На фиг. 10 показаны расчетные температурные профи­ ли для мяса (толщиной ^ 2 ,5 см), помещенного в камеру

для сублимационной СВЧ-сушки. Частота, используе­ мая для обработки, 915 Мгц, пробивная напряженность электрического поля при выбранном давлении 286 в/см.

Предполагается равновесие (постоянство давления) в каж­ дый момент времени. Влиянием случайного нагрева мож­ но пренебречь. Предполагается также, что температура поверхности, с которой идет возгонка, постоянна и равна —45 °С.

В начале процесса возгонка идет с внешней поверхно­ сти, и все тепло направляется на внешнюю сторону, в на­ правлении от замороженной части продукта. Поскольку тепло распространяется по всему объему продукта, плот­ ность теплового потока оказывается наибольшей на по­ верхности возгонки и линейно уменьшается до нуля в центральной части продукта. Ординаты кривой темпера­ турного профиля пропорциональны плотности теплового

потока. Как показано в работе [14], в этом случае температурные профили представляют собой параболы. В начале СВЧ-сушки максимум температуры находится в центре продукта, как это видно на фиг. 10 (профиль 1). В процесс

'г	I	I________|			I	I___ ____I-			I	~1
0	0 ,2 5	0 ,5	0,75	1,0	1,25	1,0	0,75	0 ,5	0 ,2 5	0
		Расстояние от внешней,поверхности,см

Фи г . 10. Расчетные температурные профили для последо­ вательных состояний во время сублимационной СВЧ-сушки ломтика мяса толщиной 2,5 см .

Расчеты выполнены для составной диэлектрической модели.

се сушки поверхности возгонки перемещаются от внеш­ ней поверхности к центру, и тепло принимается как замо­ роженным, так и высушенным слоями продукта. Теперь температурный профиль состоит из последовательно свя­ занных парабол, как показано на фиг. 10 (профили 2—5).

В высушенном продукте вследствие его плохой теплопро­ водности, а также из-за наличия пор имеет место большой перепад температур. Когда поверхности возгонки дости­ гают центра продукта, все тепло, необходимое для воз­ гонки, поступает от высушенных частей продукта и тем­ пературный профиль приобретает вид пары полупарабол

(профиль 6). На самом деле форма температурных профи­

лей вблизи внешних поверхностей не соответствует пра­ вильной параболе. Последнее происходит из-за потерь тепла на поверхностях. Эти потери вызваны излучением на металлические стенки СВЧ-резонатора. Фактическая форма температурных профилей показана на фиг. 10 пунк­ тирными линиями (профиль 6). В конце цикла сушки

внешняя поверхность продукта оказывается наиболее нагретой, и в определенный момент времени необходимс уменьшить подводимую мощность, чтобы предотвратить разрушение поверхности продукта вследствие перегрева.

Максимальное значение температуры поверхности мя­ са составляет 50 °С, а свинины 40 °С [15]. Фрукты и ово­ щи допускают нагрев поверхности до 70 °С. Голдбис и др. [ 161 обнаружили, что стойкость против поглощения влаги быстро снижается у высушенных продуктов, если при сушке температура их поверхности была выше 52 °С.

Если бы все тепло передавалось с поверхности через высушенный продукт, как это делается при обычном ме­ тоде сублимационной сушки, то температура поверхности оказалась бы вдвое выше, чем показано на фиг. 10, ^а соот­ ветствующие температурные профили представляли бы собой прямые линии. Соответственно для данной макси­ мальной температуры поверхности объемный нагрев с помощью СВЧ допускает подведение мощности, в два раза большей, чем при обычном поверхностном нагреве.

При использовании в расчете температурных профилей составной модели, показанной на фиг. 9, можно легко получить и другие результаты, например скорость воз­ гонки, количество тепла на единицу объема, напряжение, ток и сопротивление. Скорость возгонки обычно выра­ жается в литрах воды, отобранных за 1 час с 1 м2 поверх­

ности продукта. Поскольку практически все тепло диэлек­ трических потерь идет на возгонку льда с замороженного продукта, коэффициент преобразования 1700 вт»ч на 1 кг

отделенной воды можно использовать для определения параметра возгонки. Этот коэффициент включает в себя теплоту плавления льда, теплоту парообразования и не­ большое количество тепла, используемое только для нагре­ вания продукта и пара. Количество продуктов и рабочие частоты применительно к составной модели, показанной

на фиг. 9, были рассмотрены теоретически. В основном эти исследования направлены на ускорение процесса суб­

лимационной сушки при использовании СВЧ-мощности на частоте 915 Мгц.

III. Эксперименты по сублимационной СВЧ-сушке, проведенные в 1962 г.

Экспериментальное изучение процесса сублимацион­ ной сушки, проведенное в работе [51 (см. также [171), по­ казало, что время сушки для большинства исследованных

В аку ум ная			( ^ -Манометр
к а м е р а г"		Баланс
		Меттлера
Н аст ройка -_|—I		СВЧ-	Конденсационное
резонат ора I—Г			, устройство
Регулировка—.1 I		резонатор
связи	I—1
Коаксиальная передающая линия			вакуумный
			кран
	" СВЧ-генератор		Охладитель­	Вакуумный
			ная	насос
	0 - 5 кет		сист ем а
	(915или632Мгц)
Ф и г . 11.	Схема системы для		экспериментальных	иссле­
дований	процесса	сублимационной СВЧ-сушки [151.

продуктов может быть сокращено. Последнее находится в соответствии с ранней работой [3]. Время сушки не за­ висит от толщины продукта в широких пределах ее изме­ нения, а качество продуктов получается хорошее. Приве­ дены также исходные инженерные предпосылки.

Система сублимационной сушки, использованная в экспериментах, схематически изображена на фиг. 11. Она состоит из вакуумной камеры, образованной четырьмя пластинами 60 х 60 см и высокочастотной резонансной

Размеры резонатора были выбраны достаточно малыми, чтобы обеспечить существование единственного вида ТЕ101

на выбранной рабочей частоте. Для работы на частоте 915 Мгц размеры составляют 19,7 х 19,7 х 9,5 см. Элек­

трическое поле имеет единственный широкий максимум в центре резонатора, где расположен образец продукта диаметром 7,6 см. СВЧ-нагрев проходит по схеме, анало­

гичной случаю 4, рассмотренному выше.

Настройка резонатора осуществляется с помощью короткозамыкающего поршня в верхней части резонато­ ра, как показано на фиг. 13. Максимальная мощность передается продукту при настройке резонатора в резо­ нанс с частотой входной мощности. Степень связи резо­ натора с внешней линией регулируется изменением рас­ стояния от пластины, связанной с внутренним проводни­ ком коаксиальной линии, до стенки резонатора. Контроль за степенью связи и настройкой осуществляется через стенки вакуумной камеры.

Б. Описание эксперимента. Для измерений парамет­ ров сублимационной СВЧ-сушки образец помещался на тефлоновой пластине, подвешенной на балансе Меттлера. Насос предварительного разрежения обеспечивал требуе­ мое давление в камере (порядка 6.-10-2 мм рпг. сгп.). При достижении указанного давления (за 10 мин) подводится

СВЧ-энергия, осуществляется настройка резонатора и уровень мощности доводится до требуемой величины. Через пятиминутные интервалы делаются отсчеты веса, давления в камере, полезной СВЧ-мощности и мощности, требуемой для ионизации остаточного газа (пробивной мощности). Для отсчета пробивной мощности на короткое время увеличивают входную мощность и отмечают значе­ ние, при котором возникает видимый электрический разряд в свободном пространстве внутри резонатора. Типичный ход зависимости веса от времени для обычного процесса сублимационной сушки показан на фиг. 14. График пред­ ставляет собой строго прямую линию, пока не дости­ гается точка полного высыхания. Тогда эффект сушки уменьшается и линейность кривой начинает резко нару­ шаться. Частично эффективность действия сушки пони­ жается в результате уменьшения мощности, попадающей в резонатор. Когда влагосодержание стремится к нулю,

М ощ ност ь, вт

Ф и г. 14. Зависимость веса от времени сублимационной сушки с СВЧ-нагревом для отбивного мяса толщиной 1,3 см.

1 — кринам сушки; '2 — входная мощность; 3 — пробивная мощность. Пробивная мощность п некотором интервале премсни превышает 50 ат.

Ф и г. 15. Типичная зависимость изменения	пробивной
мощности от давления для ломтика мяса толщиной	1,3 см при
частоте 915 Мгц [15].