Файл: Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 288
Скачиваний: 3
Г л а в а II
ОБРАБОТКА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В настоящее время инфракрасное излучение достаточно широко применяется в различных отраслях про мышленности, в частности кондитерской, хлебопекарной, мяс ной, молочной, как в технологических (термических) процессах, так и при выполнении различного рода качественных и коли чественных химических анализов, исследованиях молекуляр ного строения вещества и в др.
Поток инфракрасного излучения, взаимодействуя с мате риалом, преобразуется в тепло. Способность материала погло щать инфракрасные лучи зависит от его оптических свойств и длины волны излучения, легко изменяемой в необходимых пре делах. Такая мобильность инфракрасного излучения открывает широкие возможности для его использования в разнообразных технологических процессах.
Инфракрасному излучению в.спектре электромагнитных волн соответствует диапазон длин волн от 0,76 до 750 мкм, который условно делят на три группы: длинноволновый — 750—25 мкм;
средневолновый — 25—2,5 мкм; |
. коротковолновый — 2,5— |
0,76. мкм. |
|
Для технических целей верхний предел используемых длин волн можно ограничить 15 мкм, так как образующийся водяной пар имеет максимум поглощения инфракрасных лучей с длиной волны более 15 мкм.
Инфракрасное излучение можно охарактеризовать как коле
бательныйпроцесс. Длина волны излучения |
связана с часто |
той v и периодом колебаний Т следующим соотношением: |
|
Х= с Г = — , |
(II—1) |
V |
|
где с — скорость света (с со 300 000 км/с).
В общем случае поток излучения Ф (Вт), произвольно падаю щий на поверхность материала, претерпевает ряд изменений: одна его часть Ф0 — отражается от поверхности материала, дру гая Фп — поглощается материалом, а третья Фпр — представля ет собой проникающее излучение
Ф == Ф0 + Фп + Фпр. |
(II—2) |
191
Величины слагаемых, входящих в это равенство, зависят как от свойств материала, так и от параметров источника излучения. Взаимодействие материала с лучистым потоком характеризует ряд коэффициентов.
Коэффициент отражения р представляет собой отношение от раженного от поверхности продукта лучистого потока к полному
потоку излучения |
|
|
|
|
Р = |
Ф0 |
(II—3) |
|
Ф ’ |
||
|
|
|
|
Коэффициент поглощения а — это |
отношение поглощенного |
||
продуктом лучистого потока к полному потоку излучения: |
|||
а |
|
Фп |
(II— 4) |
|
ф |
||
|
|
|
Коэффициент пропускания т выражает отношение потока лу чистой энергии, проникающего через материал, к полному лу чистому потоку
Фпр |
(II—5) |
|
Ф |
||
|
||
Из равенства (II—2) следует, что |
|
|
а + р + х = 1. |
( I I — 6) |
Для малопрозрачных тел, а к ним можно отнести часть пи щевых продуктов, проникающее излучение практически отсут
ствует |
(Фпр = 0). Тогда уравнение (II—5) следует |
записать в |
следующем виде: |
|
|
|
Р + а = 1. |
(II—7) |
Значения перечисленных коэффициентов зависят от ряда фак |
||
торов, |
в том числе и от молекулярной структуры |
материала. |
На величину коэффициента отражения влияет состояние поверх ности материала: при гладкой поверхности отражение будет зеркальным, при неровной шероховатой — диффузным (рассе янным).
При тепловой обработке большинства пищевых продуктов состояние поверхности не остается постоянным: меняется цвет, степень шероховатости и пр.
Способностью полностью поглощать и излучать лучистый по ток обладает только абсолютно черное тело. Общие выражения, характеризующие зависимость излучательной способности аб
солютно черного тела от X, v |
и |
Т, установлено М. Планком |
на основании предположения, |
что |
тела могут поглощать свет |
192
дискретно, в виде определенных порций — квантов, энергия ко торых зависит от длины волны (частоты) излучения
|
е = |
/м, |
(II—8) |
где е — энергия |
кванта; |
колебаний, |
с-1; |
v — частота |
электромагнитных |
h — постоянная Планка, Л = 6,62-КГ34 Дж-с.
Суммарная лучеиспускательная способность Е0 связана со спектральной лучеиспускательной способностью 1\ абсолютно черного тела следующим соотношением:
Е0 = J lx dx . |
(II—9) |
о |
|
Анализ и табулирование формулы Планка являются наибо лее важными для инженерной практики вопросами, так как из формулы Планка можно получить все законы излучения аб солютно черного тела, полученные эмпирическим путем.
Следствием закона Планка является закон смещения Вина, устанавливающий связь между длиной волны, соответствующей максимальному значению спектральной интенсивности излуче ния Хшкс (м), и абсолютной температурой тела Т (°К):
КаксТ = с = 2,9 • Ю-з. |
(II—10) |
Излучательная способность всех природных тел меньше, чем абсолютно черного тела. Поглощательная способность вещества а\т показывает, какая часть лучистой энергии поглощается телом при температуре Т и длине волны излучения X. Для аб солютно черного тела а\т = 1. Между излучательной и погло щательной способностью вещества существует взаимная связь, определяемая законом Кирхгофа для интегрального потока из лучения
L |
(II—11) |
— = const = f (X, Г), |
|
«т |
|
где ат и /т — соответственно полные излучательные и поглощательные способности тела для интегрального лучистого потока, т. е. для длин волн от X = 0 до X = оо.
Закон Кирхгофа также справедлив и для излучения с опре деленной длиной волны. Из закона следует, что для любого тела
/т
постоянство отношения — зависит только от температуры, луче-
°т
испускательная способность тела тем выше, чем больше его по глощательная способность.
Излучение реальных (серых) тел меньше излучения абсолют но черного тела, для этого случая закон излучения Стефана— Больцмана имеет вид:
7—381 193
Q = |
е а Т 4 , |
( I I — 12) |
где от— постоянная Стефана—Больцмана, |
0=5,67-1СГ8 Вт/(м2-К.*); |
|
Т — температура поверхности |
черного |
тела, °К; |
е— степень черноты тела, причем она численно равна коэффициенту поглощения и всегда меньше 1 [24, 32, 53].
Взаимное излучение и поглощение двух реальных тел опре деляется не только температурой и степенью черноты, но и ве личиной, формой и взаимным расположением их поверхностей. В общем случае мощность потока тепла Q(Bt), переданного при лучеиспускании, в системе двух тел определяется по фор муле
Q= сепр |
Z l |
4 |
( I I — |
1 3 ) |
|
100 |
|
|
|
где Ti, Tz— соответственно |
температура первого |
и второго тела, |
°К; |
|
еПп— приведенная степень |
черноты; |
|
|
п — взаимная излучающая поверхность двух тел.
Прохождение потока излучения через вещество всегда сопро вождается его поглощением. Величина энергии, поглощенной материалом, зависит от длины волны излучения и от свойств материала.
Изменение интенсивности падающего потока излучения /„ при проникновении его в вещество на глубину х, устанавливается законом Бугера
|
/^ = / 0ехр — (ах), |
(II—14> |
где |
а — коэффициент поглощения; |
потока излучения началь |
/ о |
и 1Х— соответственно интенсивности |
|
|
ная и на глубине х. |
|
Из равенства (II—14) следует, что величина, обратная коэффи
циенту поглощения —= х, показывает толщину слоя материала,
после прохождения которой интенсивность излучения уменьша ется в е — 2,72 раза. Закон Бугера положен в основу многих методов определения коэффициента поглощения материалов. Од нако для большинства пищевых продуктов закон Бугера не всег да полностью приемлем, что обусловливается значительным от ражением и рассеиванием света, а также сложностью их строе ния [6].
ИСТОЧНИКИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В настоящее время промышленность производит разнообразные инфракрасные излучатели, начиная с электричес ких инфракрасных ламп и кончая керамическими излучающими панелями.
194
В зависимости от длины волны излучения излучатели делят на светлые и темные. К светлым относят такие, в спектре кото рых есть область видимых лучей.
При выборе излучателя учитывают особенности технологиче ского процесса, свойства материала, инерционность генератора, интенсивность и длину волны излучения, возможность импульс ного облучения, санитарные требования, экономические показа тели работы излучателя.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
Основным элементом электрических излучателей является металлическая проволока (нихром, вольфрам и др.),
которую, как правило, изготовляют в виде спирали. |
В |
боль |
шинстве случаев излучающий элемент помещают либо |
в |
колбу, |
либо в трубку (стекло, кварц). |
стеклян |
|
Инфракрасная лампа типа ЗС представляет собой |
ную колбу с внутренней параболической поверхностью, покры той тонким слоем алюминия, что обеспечиваетдо 90% отражения всех лучей. В центре параболической поверхности располо жена вольфрамовая спираль. Использование внутреннего отра жателя способствует более равномерному распределению лучис того потока по диаметру лампы. Мощность выпускаемых ламп 250 и 500 Вт при средней продолжительности горения до 2000 ч. Спектр излучения такой лампы занимает участок от 0,8 до 6,0 мкм, причем длина волны, соответствующая максимуму энер гии излучения, составляет 1,05 мкм.
Стекло колбы поглощает излучение с длиной волны 2,5 мкм, однако нагрев самой колбы вызывает средневолновое излучение с длиной волны до 6 мкм. Интенсивность излучения колбы очень незначительна. При энергетическом к. п. д., равном 0,7, лампы могут создавать плотность излучения 0,2—2 Вт/см2. С помощью таких излучателей можно получать на поверхности продукта температуру порядка 220—240° С при расстоянии лампы от про дукта 80—100 мм. Кроме того, можно достичь большой установ ленной мощности. Так, при использовании ламп мощностью 500 Вт и при их рациональной установке мощность достигает 28 кВт/м2 [8] — 56 ламп расположено в шахматном порядке на площади 1 м2.
Инфракрасные лампы изготовляют также с двумя и тремя нитями накала, что позволяет более широко варьировать мощ ностью источника [6].
Недостатки описанных излучателей — чрезвычайная хруп кость, так как колба тонкостенная, поверхность лампы довольно быстро покрывается налетом капелек жира и бульона (при об работке мясопродуктов), что приводит к резкому снижению из
7* |
195 |