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