и фазы напряженности поля обеспечиваются соответствующим делителем мощности. Длина секции суживающегося волновода определяется подводимой мощностью, ограничивающейся раз рядом энергии от антенных штырей. В непрерывной СВЧ-субли- мационной установке большой мощности используется несколько таких секций в каскаде. Уровень мощности в последующих сек циях должен быть ниже в соответствии с принятым режимом процесса.
Скорость сублимационной сушки при СВЧ-теплоподводе за висит от давления водяных паров [46].
Термическая обработка
Иногда нагрев продуктов в поле СВЧ проходит практически без внешнего массообмена и тогда задача упрощает ся, в большинстве же случаев потери массы достигают значи тельных величин и условия массообмена должны непременно учитываться. Продолжительность термической обработки пи-
Т а б л и ц а 111
|
П р о д о л ж и т е л ь |
У в ар к и , |
К оли ч ество |
П р о д у к т |
ность те п л о в о й |
% к п ер в о н а |
до б авл ен н о й |
обработки |
д о к у |
чальной |
воды |
или ж и |
|
линарной |
го т о в |
р а . % |
к массе |
|
массе |
|
ности. |
мин |
п р о д у к та |
|
|
Свинина (лопаточная часть) |
3,0—5,0+13% |
25,0—30,0 |
|
|
Баранина |
(лопаточная часть) |
3 ,5 -5 ,0 |
25,0—30,0 |
— |
|
Говядина |
(лопаточная часть) |
3,0—6,0 |
25,0—30,0 |
— |
|
Цыплята |
|
6,0—7,0 |
21,0—25,0 |
— |
|
Куры (I |
категория) |
7,0—10,0 |
25,0—27,0 |
|
— |
|
Мозги (говяжьи) |
3,0—5,0 |
20,0—25,0 |
|
— |
|
Печень (мороженая говяжья) |
1,5—3,0 |
20,0—22,0 |
|
— |
|
Судак (мороженый) |
2,0—4,0 |
10,0—12,0 |
— |
|
Карп (свежий) |
2,0—3,5 |
10,0—15,0 |
— |
|
Треска (филе мороженое) |
2,0—4,5 |
20,0—22,0 |
— |
|
Осетрина |
(мороженая) |
3,0—4,0 |
18,0—22,0 |
— |
|
Шампиньоны (свежие) |
3,0—4,0 |
38,0—40,0 |
5% воды |
Мука (пассерованная) |
1,0—2,0 |
0,02 |
— |
воды |
Чернослив (сушеный) |
6,0 |
— |
50% |
Рис (припущенный) |
8,0—9,0 |
Выход 230% |
200% |
воды |
Лук репчатый |
5,0—7,0 |
1,0—2,0 |
15% жира |
Картофель |
4,0—7,0 |
1,0—2,0 |
35% |
воды |
Морковь |
|
6,0—9,0 |
1,0—2,0 |
50% воды |
Свекла |
|
8,0—10,0 |
1,0—2,0 |
50% воды |
Капуста |
|
6,0—9,0 |
1,0—2,0 |
70% воды |
Яблоки |
|
3,0—4,0 |
12,5—23,0 |
— |
|
Молоко |
|
2,0—4,0 |
--- |
— |
|
Сметана |
|
2,0—5,0 |
— |
|
|
— |
|
П р и м е ч а н и е . Д л и тел ьн о с ть обработки д ан а д л я 0,1 к г |
и д л я 0 .5 к г |
(в т о р а я |
ц иф ра) |
п р о д у к т а . |
|
|
|
|
|
щевых продуктов зависит от многих факторов технологических, конструктивных, электрофизических, мощности СВЧ-генератора и др. Для СВЧ печи «Волжанка» сведения о продолжительности обработки различных продуктов приведены в табл. 111.
Точное описание процессов тепло- и массообмена при СВЧ-нагреве — необычно сложная задача. Для инженерных расчетов можно использовать приближенные зависимости. В. М. Башмаков, С. В. Некрутман и дру гие предложили приближенный метод инженерного расчета кинетики СВЧ-нагрева пищевых продуктов, базирующийся на системе дифферен циальных уравнений тепло- и массопереноса, которые для случая внут ренних источников тепла имеют вид [64]:
|
dt |
Р- |
ди |
Qv |
; |
|
(111--153) |
|
дх |
ay-t + ---- |
дг |
+ |
|
|
сг |
Ч>0 |
|
|
|
|
ди |
ап ,у -и + а,■пМ‘ 1 + Iх |
ди |
, |
(III--154) |
|
дх |
от ' |
|
|
|
др |
= агУ2Р — |
1-1 |
ди |
|
|
(III--155) |
|
дх |
^вл |
дх |
|
|
|
|
|
|
где t — температура;
и — влагосодержание; р — избыточное давление в образце:
т— время;
а— коэффициент температуропроводности;
|
|
|
|
|
|
|
|
(.1 — коэффициент |
фазового |
превращения |
жидкость — пар; |
с — приведенная |
удельная |
теплоемкость |
образца; |
г — удельная |
теплота |
парообразования; |
|
Ро— плотность сухого вещества образца; |
|
ат,— коэффициент диффузии |
жидкости; |
|
Sг— относительный |
коэффициент термодиффузии; |
ар— коэффициент конвективной диффузии; |
|
свл— емкость образца по отношению к влажному воздуху; |
Q v — мощность |
нагрева, |
определяемая при |
СВЧ-нагреве формулой |
|
|
|
Qv = |
0,556 • |
10-12£ 2/е". |
(III—156) |
Приближенное |
решение |
системы |
уравнений |
(III—153) — (III—155) |
находят путем введения |
ряда допустимых упрощений. |
Рассматривают одномерную задачу, считая образец полубесконечным
стержнем (0 < х < со). Это означает, |
что образец считается достаточно |
длинным и тонким, так что d < L |
(d |
и L — диаметр и длина образца). |
Не без основания можно полагать, |
что мощность внутреннего источника |
убывает в глубь образца по экспоненциальному закону:
Q v |
— k x |
(Ill—157) |
----- 7= Ае |
. |
сро |
|
|
Константа А характеризует мощности СВЧ-источника, |
a k поглоще |
ние СВЧ-энергии в образце. |
|
|
Начальные условия задаются в виде: |
|
t(x, 0) = 0; р(х, 0) = |
0; и(х, 0)=--ив, |
(III—158) |
где «о— считается независимым от х. |
|
|
Граничные условия считают промежуточными между: а) случаем теп лоизолированного образца и б) случаем теплового равновесия образца с окружающей средой. Эти условия имеют вид:
а) |
*(0, т) = 0; |
ы (0,т) |
= 0; |
р (0 ,т ) |
= 0; |
|
|
|
|
|
(III—159) |
б) |
tx (0, т) = 0; |
их (0, |
т) = 0; |
рх (0, |
т) = 0, |
где индекс х обозначает дифференцирование по х. |
реальности функции |
В дальнейшем считают |
наиболее близким к |
t(x, т), р(х, т) и и(х, т), полученные как средние арифметические из реше
ний |
системы уравнений |
(III—153) — (III—155) при граничных |
усло |
виях |
(III—159). |
|
(III—153) — (III—155) |
вводят |
Для упрощения системы уравнений |
следующие допущения: |
|
|
|
|
1. Ввиду сравнительного медленного изменения и, со временем при |
СВЧ-нагреве исключается |
из уравнения |
(III—153) член |
|
рди
сг дх
2. На основании многих экспериментальных данных член am,S2 у27 в уравнении (III—154) пренебреженио мал, т. е. можно не учитывать вклада термодиффузии влаги в изменение влагосодержания.
3. На основании опытов по СВЧ-нагреву пищевых продуктов [41], свидетельствующих о малом изменении избыточного давления в образце отточки к точке, исключается из уравнения (III—155) член ар у2р. Это упрощение можно ввести только для самого процесса СВЧ-нагрева. После
выключения СВЧ-источиика давление |
в образце |
релаксирует, и ввиду |
резкого уменьшения испарения влаги |
в этот |
период из |
уравнения |
|
|
Р |
ди |
(III—155) следует исключить не член а„у2р, а ч л е н ------------ ——• |
|
|
свл |
от |
Тогда для периода СВЧ-нагрева получают систему:
|
|
^ L = a ^ 4 + |
ср0 |
|
(III—160) |
|
|
дх |
|
|
|
|
|
|
ди |
ат У и + |
V- |
ди |
|
(III—161) |
|
|
дх |
д х |
|
|
|
|
|
|
|
др |
|
|
ди |
|
(III—162) |
|
|
дх |
|
|
дх |
|
|
|
|
|
|
|
Решение уравнения |
(III—160) при |
граничных |
условиях (III—159) |
с учетом выражения (III—157) имеет вид: |
|
|
|
t (х, т) = |
А |
( 1 — kx |
1— Ф |
|
— |
е ~ к х + |
k2a |
|
|
2 VI |
1 a k2- — kx |
1 —ф |
|
+ /е/ат |
+ |
+ Т |
е |
|
|
|
2]/Ц |
|
|
|
|
|
k а х |
4а- |
|
|
(111—163) |
|
|
+ |
— |
|
|
|
|
V *
где
Ф (/■)= — Г е r d-fj. |
(Ill—164) |
V* о
При больших .V (толстых образцах) формула (III—163) упрощается:
7 (х,-г) ^ |
(еа/Л — 1) е~,! Х . |
(III—165) |
|
к ыС1 |
|
При малых значениях т (начальный период нагрева) вместо выраже ния (III—165) имеют
t (х,х) =вАте-*Л‘. (III—166)
Сравнивая приближенные формулы (III—165) и (III—166) с экспери ментальными кривыми, можно оценить параметры A, k и а.
Расчетные кривые t(x) при фиксированных х и t{т) при фиксирован ных т качественно согласуются с экспериментальными кривыми [41].
Решение уравнения (III—161) дает
|
и (х,т) = |
1 + ф — — |
(III—167) |
|
|
2 / а |
Ч |
где |
|
а' |
(III—168) |
|
|
1 — (Л |
|
Решение уравнения (III—162) с учетом условия (III—158) и (III—167) |
имеет вид: |
|
|
|
Р {х,х) = |
1 —ф |
= Рп |
(III—169) |
|
2 Уа'х |
|
2 V a 'i |
гДе Роо— предельное значение избыточного давления в образце. Изменение р в период релаксации после выключения СВЧ-источника
описывается |
уравнением |
|
|
др _ |
(III—170) |
|
дх ~ UpV2р. |
Решение |
(III—170) имеет вид: |
|
/ \ |
Ро |
1 + |
ф |
(III—171) |
Р(*л) = т |
|
|
|
2 Vap |
|
где ра— давление, достигнутое в момент прекращения |
нагрева. |
Кривые, полученные |
с помощью |
уравнений (III—169) и (III—171) |
хорошо коррелируют с экспериментальными данными.
В. И. Башмаков и другие приводят методику, позволяющую произ вести выбор режима СВЧ-нагрева пищевых продуктов при доведении их до кулинарной готовности. В зависимости от конечной цели процесс СВЧ-обработки может происходить или в один этап — доведение про дукта до определенной температуры, или в два, причем второй заключает
ся в термостатировании продукта, т. е. его выдержке при достигнутой температуре.
При нагреве продукта в замкнутом объеме при оптимальных темпах нагрева подводимая мощность почти полностью расходуется на повыше ние температуры образца от tu = 15-г-20° С до tK= 95 99° С. Пот требляемое при этом количество тепла Qt (кДж) молено вычислить по сле дующей формуле:
Qi = 4 ,17cm (iK— /,,). |
(Ill—172) |
Если нагрев до tK длится в течение времени т1( то для средней мощ ности
Рх |
Qi |
, |
cm{tK— tu) |
— |
= 4,17 |
---------------- (III—173) |
|
Tl |
|
Tl |
Величина Pi связана с потребляемой мощностью СВЧ-установки N\ соотношением
где т)*1*— термический к. п. д. нагрева для данного этапа работы.
После достижения конечной температуры tK энергия, отдаваемая магнетроном, расходуется в основном на испарение влаги из продукта. Если за время доведения продукта до кулинарной готовности произошла потеря массы образца Ат, то затраченное тепло определяют по формуле
|
|
Q2=4,17M m , |
(III—175) |
где |
г — удельная теплота |
парообразования. |
|
на |
Если время доведения до готовности равно т, то для средней мощности |
этом этапе |
|
|
|
|
„ |
0« |
гАт |
(III—176) |
|
Р„ = — |
- 4,17------- |
|
|
т2 |
т2 |
|
|
Величина Р2 связана с |
потребляемой мощностью |
N2 соотношением |
|
|
P 2 = |
t,<2>IV2 . |
(III—177) |
|
Приблизительно можно считать, что |
|
|
|
т1<и %У1<2). |
(III—178) |
Из формул (III—173) и (III—176) можно найти соотношение мощно стей Рх и Р2 или потребляемых мощностей Nx и N2 на разных этапах при готовления продукта. С учетом уравнения (III—178)
|
/V, |
Р-г |
г |
Ат |
Гу |
(III—179) |
|
Nx |
Рх |
с (^к ^н) |
т |
Т2 |
|
|
По смыслу это соотношение лредставляет собой критерий Ребинде ра Rb для данного процесса
Рх
