Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние научной проблемы и постановка задач исследований
1.1 Анализ ресурсов сырья и объемов производства продукции 14
1.2 Анализ электрофизических процессов и технических средств, обеспечивающих эффективность термообработки сельскохозяйственного сырья
1.3 Диэлектрические и теплофизические и параметры сырья 23
1.4 Выводы по разделу. Цель и задачи исследования 40
2 Теоретические исследования по совершенствованию электродинамической системы сверхвысокочастотных установок для термообработки сельскохозяйственного сырья
2.1 Элементы теории взаимодействия сырья с рабочими органами 43
установок с источниками электромагнитных излучений
2.1.1 Схема модернизации СВЧ установок для термообработки сырья и взаимосвязь их основных узлов
2.1.2 Методика проектирования установок для термообработки сырья с использованием источников электромагнитных излучений
2.2 Методы инженерных расчетов конструктивно-технологических параметров сверхвысокочастотных установок для термообработки сельскохозяйственного сырья
2.2.1 Технологический процесс термообработки крови убойных животных
2.2.2 Технологический процесс термообработки жиросодержащего сырья
2.2.2.1 Установка для термообработки жиросодержащего сырья воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний
2.2.2.2 Центробежная установка для термообработки жиросодержащего сырья в электромагнитном поле сверхвысокой частоты
2.2.2.3 Установка для вытопки жира в электромагнитном поле сверхвысокой частоты
2.2.2.4 Многорезонаторная сверхвысокочастотная установка для 117
плавления жира
2.2.2.5 Сверхвысокочастотная установка для выделения расплавленного 134
жира из жиросодержащего сырья
2.2.3 Технологический процесс термообработки мясного сырья 145
воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты
2.2.3.1 Методы расчета процессов термообработки мясного фарша 145
2.2.3.2 Технологический процесс термообработки колбасных изделий 150
2.2.3.3 Технологический процесс массирования, посола и термообработки кускового мясного сырья
2.3 Технологические процессы термообработки других видов сырья 158
воздействием электромагнитных излучений
2.3.1 Технологические процессы термообработки жидкого и вязкого 158
сырья
2.3.2 Технологические процессы сушки сырья 172
2.4 Теоретические исследования динамики нагрева сырья в 184
электромагнитном поле сверхвысокой частоты
2.5 Выводы по разделу 194
3 Методика исследования процесса термообработки сельскохозяйственного сырья воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты
3.1 Программа исследований 197
3.2 Частные методики исследований и измерительная аппаратура 203
3.3 Аналоги установок для термообработки крови убойных животных и жиросодержащего сырья
3.4 Выводы по разделу 216
4 Установки с использованием энергии электромагнитных излучений для термообработки сельскохозяйственного сырья
4.1 Установки для термообработки мясного сырья 218
4.1.1 Установка для термообработки крови убойных животных 218
4.1.2 Установки для термообработки жиросодержащего сырья 223
4.1.3 Установка для термообработки мясного фарша 239
4.1.4 Установка для термообработки колбасных изделий 243
4.1.5 Установка для термообработки сырья в оболочках 247
4.1.6 Сублиматор с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженного продукта
4.2 Расположение резонаторных камер разных конфигураций в СВЧ установках
4.3 Выводы по разделу 257
5 Научно-экспериментальное обоснование системно-комплексного подхода к обеспечению качества и безопасности продукции, полученной термообработкой в электромагнитном поле сверхвысокой частоты
5.1 Исследование режимов термообработки мясного сырья и обоснование эффективных конструктивно-технологических параметров установок
5.1.1 Результаты экспериментальных исследований эффективных параметров СВЧ установки для термообработки мясного фарша и кускового мясного сырья
5.1.2 Результаты экспериментальных исследований эффективных параметров установок для термообработки жиросодержащего сырья
5.1.3 Результаты экспериментальных исследований эффективных параметров СВЧ установки для термообработки колбасных изделий
5.2 Исследование мощности потока СВЧ энергии около разработанных 279
установок для термообработки сельскохозяйственного сырья
5.3 Выводы по разделу 297
6 Экономическая оценка результатов исследований 300
6.1 Эффективность применения результатов исследований и установок 300
с источниками электромагнитных излучений в фермерских хозяйствах
6.2. Рекомендации производству по термообработке сырья в 311
агроинженерных технологиях
Результаты исследования и общие выводы 314
Список использованных источников
- Анализ электрофизических процессов и технических средств, обеспечивающих эффективность термообработки сельскохозяйственного сырья
- Методика проектирования установок для термообработки сырья с использованием источников электромагнитных излучений
- Технологический процесс массирования, посола и термообработки кускового мясного сырья
- Сублиматор с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженного продукта
Введение к работе
Актуальность проблемы.Создание малогабаритной техники для переработки сырья у производителя – наиболее эффективное направление развития сельскохозяйственных (с.-х.) предприятий. Для снижения эксплуатационных затрат при термообработке с.-х. сырья необходимо предусмотреть применение перспективных источников тепла. Использование энергии электромагнитных излучений для этих целей ограничено из-за сложности обеспечения поточности технологического процесса. Существующие рабочие камеры сверхвысокочастотных (СВЧ) установок позволяют транспортировать сырье через объемный резонатор в случае наличия запредельных волноводов, ограничивающих мощность потока излучения, они сложны по конструкции, и возникают трудности при настройке электродинамической системы «СВЧ генератор - объемный резонатор -сырье» на необходимую частоту. Широкому внедрению таких технологий препятствует сложность и дороговизна источников электромагнитных излучений. Альтернативным дешевым вариантом СВЧ источника является магнетрон бытовой микроволновой печи.
Поэтому обоснование методов повышения эффективности функционирования сверхвысокочастотных установок, предназначенных для термообработки и обеззараживания с.-х. сырья в поточном режиме, за счет обеспечения высокой напряженности электрического поля и транспортировки сырья в сферических резонаторах, позволяющих повысить добротность электродинамической системы и равномерность внутреннего теплообмена в сырье, актуально.
Основываясь на существующих технологиях термообработки сырья, руководствуясь теорией электромагнитных волн, предлагается воздействовать энергией электромагнитных излучений на с.-х. сырье при транспортировке в сферических резонаторахв разработанных и изготовленных образцах СВЧ установок. Критериями оценки эффективности разрабатываемого технологического оборудования с электромагнитным излучением (ЭМИ) являются снижение эксплуатационных затрат на термообработку с.-х. сырья и улучшение качества продукции, оцениваемое через органолептические, физико-химические и микробиологические показатели.
Научная проблема – повышение эффективности процессов термообработки с.-х. сырья и улучшение качества продукта.
Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку способов термообработки с.-х. сырья с использованием физических факторов внесли известные ученые, такие как: А.В. Лыков, А.С. Гинзбург, И.А. Рогов, В.Н. Рас-стригин, Вернер Мальтри и др. Несмотря на наличие различных подходов к способам и средствам термообработки с.-х. сырья в работах ученых недостаточное внимание уделено многим технологическим факторам. Анализ исследований, выполненных авторами, позволяет выделить основные узлы, требующие дальнейшего совершенствования при термообработке сырья с использованием энергии ЭМИ, это осуществление поточного режима при максимальной добротности объемного резонатора, обеспечивающего высокую напряженность электрического поля, при которой происходит обеззараживание продукта; разработка многорезонаторных и многогенераторных установок для фермерских хозяйств.
Целью исследования является повышение эффективности функционирования установок для термообработки с.-х. сырья воздействием электромагнитных излучений и совершенствование их основных рабочих органов, обеспечивающих улучшение качества продукта с наименьшими эксплуатационными затратами.
Задачи исследований:
-
Разработать методику проектирования и технологического расчета основных узлов СВЧ установок, предназначенных для термообработки различного с.-х. сырья.
-
Теоретически обосновать электродинамические характеристики системы с учетом конструктивных особенностей объемных резонаторов, обеспечивающих поточность технологического процесса термообработки с.-х. сырья.
-
Обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установок на основе исследований микробиологических изменений сырья в процессе термообработки для системно-комплексного решения задачи повышения качества продукции.
-
Разработать и апробировать в производственных условиях СВЧ установки для термообработки с.-х. сырья, оценить технико-экономическую эффективность их применения в фермерских хозяйствах.
Объектом исследования являются технологические комплексы и процессы, протекающие при термообработке с.-х. сырья с использованием энергии ЭМИ; экспериментальные и опытные образцы установок и их рабочие органы – объемные резонаторы с устройствами ввода и вывода продукции в поточном режиме; готовая продукция.
Предметом исследования является выявление закономерностей воздействия ЭМИ на с.-х. сырье для эффективного функционирования установок в поточном режиме.
Методология и методы исследований. Исследование закономерностей технологических процессов выполнено на основе научной гипотезы о поведении электродинамических систем при обеспечении поточного режима термообработки сырья, реализованного в СВЧ установках со сферическими резонаторами. Применительно к проблематике использованкомплекс существующих базовых методов исследования, позволивших выявить новое конструктивное исполнение рабочих органов СВЧ установок в виде передвижных сферических резона-торных камер, расположенных в экранирующем корпусе с запредельными волноводами. Теория построена на использовании известных положений диэлектрического нагрева СВЧ диапазона, элементов теории электродинамических систем СВЧ установок и распространения электромагнитных волн в объемных резонаторах. Для экспериментальных исследований применялись сертифицированные электроизмерительные цифровые приборы и аппаратура, обеспечивающие достаточную точность результатов, стандартная методика оценки воспроизводимости эффективных режимов работы установок, численные методы решения задач при теоретической разработке математических моделей процессов термообработки сырья. Подтверждение закономерностей динамики нагрева сырья в передвижных резонаторах достигается по натуральной величине критерия
оценки факторов в процессе апробации СВЧ установок в производственных условиях. При обосновании электротехнологических процессов и технических решений использованаединая система взаимодействия основных узлов установки: источник СВЧ излучения, объемный резонатор, запредельные волноводы, замедляющие и экранирующие элементы. В исследованиях пользовались методикой активного планирования трехфакторного эксперимента типа 23 и статистической обработкой результатов исследования с применением компьютерных программ MicrosoftExcel 10.0, Statistic 5.0, трехмерного моделирования конструктивного исполнения СВЧ установок в программе Компас-3DV15. В работе обосновываются методы расчета и конструирования объемных резонаторов, в том числе особенности проектирования установок с передвижными сферическими резонаторами СВЧ генераторов.
Работа отличается от существующих исследований методическим обобщением электродинамической системы «СВЧ генератор – объемный резонатор – сырье» с различным конструктивным исполнением рабочей камеры, обеспечивающей поточность технологического процесса термообработки и обеззараживания сырья за счет многократного воздействия ЭМИ. Из-за конструктивных особенностей объемных резонаторов установки имеют специфику в принципах работы, в методах проектирования узлов и всех элементов передачи энергии ЭМИ от излучателя в сырье в целом. В конструктивном отношении электродинамические системы СВЧ генераторов отличаются от существующих совмещением передвижных резонаторных и лучевых камер, расположенных в тороидальном экранирующем корпусе. В СВЧ технике такой способ передачи энергии составляет самостоятельную область исследования. При этом можно выявить динамику процесса с учетом изменения во времени диэлектрических и тепло-физических параметров сырья, рассчитать конфигурацию и размеры объемного резонатора в соответствии с длиной волны и критической напряженностью электрического поля, определить количество источников и их расположение в рабочей камере.
Достоверность основных выводов и предложений подтверждается: актами апробации и результатами теоретических и экспериментальных исследований СВЧ установок в лабораторных и производственных условиях; протоколами лаборатории федерального бюджетного учреждения «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской республике», свидетельствующими о безопасности продукта; протоколами лаборатории федерального бюджетного учреждения здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике – Чувашия», подтверждающими соблюдение безопасной нормы СВЧ излучения при эксплуатации разработанных установок.
Новизна результатов исследований состоит:в системном подходе к теоретической оценке закономерностей процессов, происходящих в электродинамических системах; в разработке способов воздействия ЭМИ на сырье; в разработке математическихи регрессионныхмоделей, описывающих процессы термообработки сырья;в составлении методики согласования конструктивно-технологических параметров с режимами работы установок с учетом критериев оценки процессов; в выявлении резервов, повышающих эффективность функ-
ционирования СВЧ установок сосферическими резонаторами для термообработки с.-х. сырья в поточном режиме; в изучении динамики нагрева при воздействии ЭМИ на сырье в перфорированных сферических резонаторах; в разработке методики инженерного расчета параметров установок для термообработки с.-х. сырья с использованием ЭМИ.
Практическую значимость представляет методика проектирования СВЧ установок с энергоподводом в сферические резонаторы,позволяющие достичь максимальной добротности и поточности технологического процесса термообработки различного с.-х. сырьябез сложных систем ограничения излучения через экранирующий корпус с применением маломощных магнетронов.
Новизна технологических и технических решений подтверждена 16 патентами на изобретения. Показана целесообразность применения энергии ЭМИ в технологиях термообработки и обеззараживания сырья для получения безопасной продукции и определены резервы, повышающие эффективность электродинамических систем. Изготовлены и испытаны в производственных условиях установки для термообработки с.-х. сырья с источниками ЭМИ, позволяющие снизить эксплуатационные затраты и улучшить качество продукции. Выработаны рекомендации по аппаратно-технологическому оформлению установок и разработана конструкторская документация для их изготовления.
Реализация результатов исследований.Исследования по разработке установок для термообработки с.-х. сырья с источниками ЭМИ проводились в соответствии с планами НИОКР ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА» в лабораторных и производственных условиях. Данная работа является частью исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса, проведенных согласно целевой программе по тематическому плану МСХ РФ, раздел «Био,-нанотехнологии» (обеззараживание молока воздействием ЭМИ, 2011 г., термообработка масла-сырья в ЭМПСВЧ, 2013 г., разработка высокоэффективной технологии получения продуктов на основе крови убойных животных, 2014 г.). АпробацияСВЧ установок для термообработки с.-х. сырья проводили: в СХПК «Союз» и ОПХ (опытно-производственное хозяйство) «Ленинская искра» Ядринского района ЧР, ОАО «Вурнарский мясокомбинат» ЧР, ОАО «Приволжское» Чебоксарского района ЧР.
Решение отдельных частных задач по теме диссертационной работы выполнено при участии кандидатов технических наук: Г.А. Александровой, А.В. Ро-дионовой, Н.А. Зуевой, И.Г. Ершовой, Д.В. Лукиной, В.С. Иванова, Н.Т. Уездного и аспирантов И.А. Викторовой, Д.В. Поручикова, М.Г. Сорокиной, А.Н. Федоровой, Е.Г.Максимова, Н.А. Куторкиной, Т.Н. Лаврентьевой.
Разработана конструкторская документация на установки и изготовлены экспериментальные образцы, обеспечивающие термообработку различной с.-х. продукции. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Чувашская ГСХА», ФГБОУ ВО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ», АНО ВО «Академия технологии и управления», ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ им. Н.П. Огарева», ФГБОУ ВО «Нижегородская ГСХА», ФГБОУ ВО «Ижевская ГСХА». Результаты исследования отражены в 2 монографиях для применения в хозяйствах региона и страны.
Апробация работы.На выездном расширенном заседании «Бюро секции механизации, электрификации и автоматизации» отделения сельскохозяйственных наук Российской академии наук (ОСХН РАН) одобрены результаты выполненных исследований и направление научной работы. (Подписи заместителя академика-секретаря ОСХН РАН, член-корреспондента РАН Ю.А. Иванова, заведующегосектором механизации, электрификации и автоматизации ОСХН РАН, д.т.н. Ю.Х. Шогенова, г. Казань, 22.10.2015 г.). Результаты работы доложены, обсуждены на международных и всероссийских научно-технических конференциях: ФГБОУ ВО «Казанский ГАУ» (2009…2015 г.г.); ФГБОУ ВО «Марийский ГУ» (2009…2015 г.г.); ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА» (2013 г.); ФГБОУ ВО «Чувашская ГСХА» (2009…2014 г.г.); АНО ВО «Академия технологии и управления» (2014…2015 г.г.); ФГБНУ «ВИЭСХ» (2014…2015 г.г.).
Установки демонстрировались: на республиканском конкурсе проектов «Эффективные пути развития АПК в Чувашской Республике» (Чебоксары, 2010 г.); на ХVII и XVIII выставках «Регионы – сотрудничество без границ» (Чебоксары, 2011…2012 г.г.); на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, Чебоксары, 2011…2014 г.г.); на всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука – основа успешного развития АПК» при участии представителей администрации ЧР (зам. председателя кабинета министров – министра сельского хозяйства С.В. Павлова, зам. министра образования и молодежной политики С.В. Кудряшова, зам. министра экономического развития, промышленности и торговли А.А. Бы-ченкова, Чебоксары, 04.10.2012 г.); на конференциях, посвященных дню работников с.-х. и перерабатывающей промышленности, при участии министра сельского хозяйства РФ Н.В. Федорова (Чебоксары, 20.10.2012 г., 08.11.2013 г.); на республиканских фестивалях научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (2011…2014 г.г.); на конкурсе «Грант Казанского ГАУ молодым ученым» (2013 г.).
Результаты исследований удостоены дипломов:
- победителя конкурса «Молодой изобретатель Чувашской Республики»,
2011 г., и «Молодой инноватор Чувашской Республики», 2011 г.;
- за активное участие во всероссийском инновационном форуме аграрной мо
лодежи и выставке – демонстрации лучших инновационных проектов в сфере
АПК, «Российское аграрное движение - РАД», Чебоксары, 2010…2012 г.г.;
- лауреата фестиваля научно-технического творчества молодежи «НТТМ-
Чувашия», Чебоксары, 2012 г.;
- призера IX и X республиканских конкурсов научно-исследовательских работ
молодых ученых «Наука XXI века», Чебоксары, 2013…2014 г.г.
Проект «Разработка сверхвысокочастотной установки для термообработки крови убойных животных» был удостоен диплома 2 степени и гранта Казанского государственного аграрного университета молодым ученым, в номинации «Биотехнологии», 2013 г.
Проект «Разработка установки для обработки кишечного сырья убойных животных с применением ультразвуковых и сверхвысокочастотных генераторов», выполненный под руководством автора, был удостоен диплома и гранта по
программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2015», 10.04.2015 г.
Положения, выносимые на защиту: -конструктивные и технологические схемы разработанных и апробированных в производственных условиях СВЧ установок для термообработки и обеззараживания сырья, имеющих новое конструктивное исполнение рабочих органов;
- технологический процесс термообработки сырья в поточном режиме за счет:
опрокидывающихся передвижных сферических резонаторов, расположенных в экранирующем корпусе с запредельными волноводами; перфорированных сферических резонаторов, подключенных с чередовани-емк источнику СВЧ энергии, расположенных в цилиндрическом экранирующем корпусе;
- математические модели процесса функционирования СВЧ установок с перфо
рированными сферическими резонаторами;
методика согласования конструктивно-технологических параметров ключевых рабочих органов с режимами работы установок для термообработки с.-х. сырья с использованием энергии ЭМИ;
комплекс конструктивно-технологических параметров и рабочих режимов установок, обеспечивающих получение высококачественного продукта при сниженных эксплуатационных затратах, подтвержденных результатами эффективного функционирования установок в производственных условиях.
Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 86 печатных работах, в том числе 28 - в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ Министерства образования и науки РФ, в 16 патентах, в 2 монографиях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 409 наименований и приложений. Работа изложена на 341 странице, содержит 230 рисунков и 60 таблиц.
Анализ электрофизических процессов и технических средств, обеспечивающих эффективность термообработки сельскохозяйственного сырья
Инфракрасный метод. Актуальной и перспективной является термообработка продуктов с применением инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение твердых тел обусловлено возбуждением молекул и атомов тела вследствие их теплового движения [115]. При поглощении инфракрасного излучения облучаемым телом в нем увеличивается тепловое движение атомов и молекул, что вызывает его нагревание. Перенос энергии происходит от тела с большим потенциалом переноса тепла к телу с меньшим потенциалом. При таком методе термообработки продуктов инфракрасное излучение определенной длины волны активно поглощается водой, содержащейся в продукте, но не поглощается тканью обрабатываемого продукта, поэтому удаление влаги возможно при невысокой температуре (40…60 С), что дает практически полностью сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат подвергающихся нагреву продуктов.
Нагрев инфракрасными источниками работает, в сравнении с микроволновыми источниками, на более высоких частотах (на 2…3 порядка). Соответственно, уменьшается глубина проникновения, и нагревается только поверхность сырья. Остальной объем сырья получает тепло лишь за счет более медленного процесса теплопроводности. Это приводит к термомеханическим перенапряжениям и потере качества продукта. Высокая плотность мощности и лучшая фокусировка микроволн приводит к большой экономии энергии. Интеграция СВЧ установок в автоматическую производственную линию достаточно проста, благодаря приемлемой стоимости, экономичности и компактности. Возможна комбинация с другими видами обработки.
Конвективный метод. Этот способ нагрева продуктов основан на передаче тепла продукту за счет энергии нагретого сушильного агента - воздуха или парогазовой смеси. При этом способе нагрева за счет сообщаемой продукту тепловой энергии идет испарение находящейся в продукте влаги, а унос паров влаги осуществляется сушильным агентом. Недостатки: нагрев конструкций и окружающей среды; перегрев продукта; появление пленки, затрудняющей термообработку и ухудшающей качество продукта (изменяется цвет, вкус и естественный аромат продукта); развитие окислительных процессов и потеря витаминов и биологически активных веществ в продукте, не подавляется первичная микрофлора. Установки, обеспечивающие такой метод нагрева имеют высокие удельные энергозатраты (от 1,6 до 2,5 кВтч/кг).
Кондуктивный метод нагрева продуктов основывается на передаче тепла продукту путем непосредственного контакта с нагреваемой поверхностью оборудования. Продукт, контактирующий с нагретой поверхностью, пересушивается, что приводит к необратимости процессов восстановления. Продукт теряет 30…40% витаминов и биологически активных веществ из-за высокой температуры в камере. При кондуктивном нагреве продукта тепло сообщается влажному материалу только от греющей поверхности и передается к открытой поверхности продукта с последующей отдачей его в окружающую среду. Количество тепла, полученное от греющей поверхности, расходуется на испарение влаги, на потери тепла лучеиспусканием и конвекцией открытой поверхностью продукта в окружающую среду. Доля этих потерь в общем расходе тепла невелика и составляет максимально 3…5 %, что делает оборудование достаточно эффективным.
Микроволновый метод. Сверхвысокочастотная энергия очень удобный источник тепла, обладающий в ряде применений несомненными преимуществами перед другими источниками. Он не вносит загрязнений при нагреве, при его использовании отсутствуют какие-либо продукты сгорания. Легкость, с которой СВЧ энергия преобразуется тепло, позволяет получить очень высокие скорости нагрева, при этом в сырье не возникает разрушающих термомеханических напряжений, если предусмотреть специальные замедляющие системы [179, 258, 312]. Оборудование полностью электронное и работает безынерционно, благодаря чему уровень мощности можно мгновенно изменять. Сочетание СВЧ нагрева с другими методами нагрева дает возможность конструировать установки для выполнения различных функций. СВЧ нагрев позволяет создавать новые технологические процессы, увеличивать их производительность и повышать качество продукции. Метод основан на воздействии на нагреваемый продукт интенсивного электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ). Под действием СВЧ поля молекулы воды (диполи) начинают совершать колебательные и вращательные движения, ориентируясь с частотой поля по его электрическим линиям. Таким образом, разогрев происходит во всем объеме продукта, причем более влажные участки получают больше энергии. За счет этого происходит удаление влаги, варка продукта, и, одновременно,- выравнивание влажности в объеме продукта. Микроволновая термообработка характеризуется малой продолжительностью и относительно низкой температурой процесса, что обусловливает высокую сохранность полезных веществ и витаминов в продукте. а также сложности при обеспечении поточного технологического процесса. Прошедший термообработку продукт не критичен к условиям хранения и стоек к развитию бактериальной микрофлоры, в герметичной таре такой продукт может храниться до двух лет. При термообработке сырья в ЭМПСВЧ его объем уменьшается в 2…3 раза, а масса - в 3…4 раза по сравнению с исходным сырьем [87, 133, 220, 226, 334]. Ограничением широкого применения этого метода является относительно низкий (60 %) КПД преобразования энергии электрического тока в энергию СВЧ поля. В качестве генераторов большой мощности используются магнетроны и клистроны. Применяют две частоты – 915 и 2450 МГц. Так как частота 915 МГц может использоваться не во всех случаях, то оптимальной в международной практике считается частота 2450 МГц.
Микроволновая вакуумная установка «Муссон». Промышленность выпускает многомодульные установки серии "Муссон", предназначенные для термообработки продуктов с использованием микроволнового нагрева и вакуума (рис. 1.1). Сушка в вакуумной камере идет при более низкой температуре, чем при атмосферном давлении, возможна интенсивная сушка при температуре 30оС. Несмотря на низкую температуру, вода в продукте находится в состоянии близком к кипению.
Методика проектирования установок для термообработки сырья с использованием источников электромагнитных излучений
Технологический процесс реализован с помощью передвижных цилиндрических или сферических резонаторных камер, установленных в волноводе. Причем нижние полусферы закреплены к вращающемуся ободку с возможностью опрокидывания. Патенты: № 2537552, № 2541634 (соавтор к.т.н. Уездный Н.Т.). Анализ исследований, выполненных многими авторами, позволил выделить основные узлы, требующие совершенствования [23, 149, 158, 161, 186,180,181, 209, 210, 351, 394, 395, 400]. Рисунок 2.16 – Передвижные цилиндрические резонаторные камеры в экранирующем корпусе 3,41-а В цилиндрическом объемном резонаторе режим стоячих волн получится не только в поперечном сечении, но и в продольном направлении. Резонанс будет наблюдаться на частотах, для которых вдоль резонатора укладывается целое число полуволн. Для простейшего типа колебаний, характерно то, что собственная частота не зависит от высоты резонатора, а определяется только его диаметром. Для пропускания электронного потока в стенке резонатора имеется отверстие. Настройку объемных резонаторов на необходимый диапазон частот можно осуществить изменением их объема.
Электродинамическая система со сферическими резонаторами. Одним из широко используемых и перспективных электродинамических элементов в СВЧ диапазоне являются многорезонаторные системы. В связи с этим разработана установка со сферическими резонаторами, выполненными из двух полусфер. Электродинамическая система, состоит из последовательно расположенных и дифракционно связанных полусфер, образующих сферические резонаторы. Известна многорезонаторная система со сферическими зеркалами, где через центральные отверстия в зеркале одного резонатора происходило возбуждение от генератора [Афонин Д.Г., Малышкин А.К.]. Один из блоков зеркал неподвижный, другой блок зеркал перемещается перпендикулярно оптической системы. При увеличении расстояния между полусферами значительно растут дифракционные потери. Часть энергии, вышедшей из резонатора через дифракцию между полусферами, может попадать в соседний резонатор. Для получения достаточно добротных колебаний с хорошей амплитудой расстояние между полусферами должно быть невелико.
Научную новизну результатов исследования представляют [54, 56, 60, 374] - математические зависимости, позволяющие обосновать параметры рабочего органа и режимы работы установки, обеспечивающей термообработку крови убойных животных в передвижных сферических резонаторных камерах СВЧ генератора; - закономерности влияния режимов работы установки на динамику эндо-, экзогенного нагрева крови убойных животных с учетом изменения их диэлектрических и физико-механических параметров в процессе технологического воздействия; - установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде передвижных сферических резонаторных камер в экранирующем корпусе; - поточный технологический процесс термообработки крови убойных животных, рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение качества вареной крови при сниженных эксплуатационных затратах. Технологическая схема производства вареной крови предусматривает следующие операции (рис. 2.17): залив крови в приемную емкость дозатора; дозирование сырья-крови в полусферы резонаторов в процессе их передвижения, многократный эндо-, экзогенный нагрев сырья, чередующийся с паузой; выгрузка сваренной крови посредством опрокидывания полусфер; измельчение и фасование вареной крови в специальные мешки; транспортирование в холодильную камеру; транспортирование в животноводческие хозяйства. Схема термообработки крови убойных животных разработана с учетом следующих требований к процессу: - термообработка крови происходит за счет многократного последовательного воздействия через паузу электромагнитного поля сверхвысокой частоты и инфракрасных излучений; - установка работает в поточном режиме; - кровь подается в передвижные сферические резонаторы дозированно, в автоматическом режиме; - выгрузка вареной крови происходит за счет опрокидывания соответствующих полусфер; - термообработка крови обеспечивает затормаживание развития патогенных микроорганизмов в сваренной крови; - сохраняет физико-химические свойства и товарный вид вареной крови; - обеспечивает экологическую безопасность для обслуживающего персонала. Установка для термообработки крови убойных животных в поточном режиме состоит из цилиндрического экранирующего корпуса, внутри которого имеется ротор в виде колеса. На нем по периметру с помощью шарнирных петель закреплены множество полусфер, вплотную друг к другу, а их количество зависит от диаметра ротора. Верхние полусферы 5 жестко закреплены под СВЧ генераторами. Их количество равно количеству СВЧ генераторов. СВЧ генераторы 6 и источники инфракрасного нагрева (ИК лампы) установлены с чередованием на верхнем основании цилиндрического экранирующего корпуса. Для увеличения производительности установки предусмотрено чередование нескольких СВЧ генераторных блоков с ИК лампами.
Ротор 2 приводиться в движение через цепную передачу от мотора – редуктора 8. Для фиксации нижних полусфер в вертикальном положении имеется натяжной ободок. Он удерживает нижние полусферы до сектора выгрузки. Установка содержит дозатор крови. Внутри нижних полусфер находятся термостойкие диэлектрические контейнеры. На боковой поверхности экранирующего корпуса установлен выгрузной лоток. В его секторе имеется специальный упорный элемент, способствующий опрокидыванию нижних полусфер и возвращению их в вертикальное положение.
Процесс термообработки крови убойных животных происходит следующим образом [374]. Включают привод ротора с помощью мотора - редуктора и привод дозатора. С помощью насоса обеспечивается равномерная подача крови в нижние полусферы по мере их передвижения за счет вращения ротора. По мере оказания нижних полусфер с сырьем под соответствующим источником, необходимо включать последовательно источники СВЧ энергии. При стыковке передвижной полусферы со стационарной полусферой поток электромагнитных излучений будет направлен внутрь резонаторной камеры. Кровь подвергается воздействию ЭМПСВЧ и эндогенно нагревается за счет токов поляризации. Далее, за пределами СВЧ генератора, сырье при транспортировании в нижних полусферах подвергается экзогенному нагреву за счет ИК ламп. При чередовании эндо–экзогенного нагрева происходит приращение температуры сырья до 95..100оС. Затем за счет специального упорного элемента каждая полусфера опрокидывается, продукт сползает в выгрузной лоток. Этому способствует дополнительный наклон термостойких диэлектрических контейнеров. За счет шарнирных петель и направляющих, передвижные полусферы возвращаются в вертикальное положение. Далее камеры готовы к приему новых партий сырья.
Технологический процесс массирования, посола и термообработки кускового мясного сырья
Сверхвысокочастотный нагрев позволяет подводить тепло равномерно по всему объему, это позволяет уменьшить продолжительность сушки и улучшить качество сушеной продукции. В первой половине технологического процесса необходимо несколько увеличивать мощность, но не настолько, чтобы произошло размораживание продукта, или возник электрический СВЧ дуговой разряд. Если при атмосферном давлении пробивная напряженность электрического поля 30 кВ/см, то при давлении остаточных газов 130…330 Па имеет место минимальная пробивная напряженность электрического поля, равная около 100 В/см в импульсе. При рабочих же давлениях в сушильных камерах менее 100 Па пробивная напряженность электрического поля превышает 400 В/см на частоте 2450 МГц. В процессе сушки поверхностные слои при СВЧ нагреве становятся практически сухими и обладает малой теплопроводностью, поэтому их температура становится положительной и может достигать нескольких десятков градусов. Для капусты максимально допустимая температура + 40…50оС, чтобы не произошло перегрева наружных слоев, в конце процесса сушки надо уменьшить подводимую сверхвысокочастотную мощность. С другой стороны, при температурах ниже нуля фактор потерь примерно на порядок меньше, чем при более высоких температурах. Это говорит о том, что только в ЭМПСВЧ, можно получить равномерное распределение мощности по объему [57]. Чтобы уменьшить опасность пробоя, конструкция резонаторных камер должна быть такова, чтобы напряженность электрического поля в продукте была максимальной, а окружающем вакууме не превышало допустимого значения. Сублиматор (рис. 2.54) с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженного продукта представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру с нижним и верхним люками, и патрубками для вакуум насоса и слива отходов, разделенную на две части с помощью многослойных перфорированных перегородок из неферромагнитного материала. Причем ее нижняя часть служит объемным резонатором СВЧ генератора и в ней расположена диэлектрическая мешалка, а в верхней части камеры установлен конденсатор-вымораживатель, соединенный с холодильным контуром, расположенным с внешней стороны камеры. Генераторный блок герметично закреплен к объемному резонатору с внешней стороны. Сублиматор работает в периодическом режиме, обеспечивая сушку замороженного продукта в процессе воздействия ЭМПСВЧ.
Во втором схемном решении запроектирована сферическая перфорированная резонаторная камера (рис.2. 55). Установка для сушки замороженного сырья в поточном режиме (рис. 1) с сверхвысокочастотным генератором представляет собой холодильник 1, где обеспечен вакуум. Внутри камеры 2 которого в нижней части установлен перфорированный сферический резонатор 3. Причем резонатор выполнен из двух полусфер и установлен так, что щель между перфорированными полусферами образован в вертикальной плоскости. Перфорированные полусферы жестко закреплены к боковым сторонам холодильной камеры 2 с внутренней стороны. Сверхвысокочастотный генераторный блок 4 закреплен к боковой поверхности установки с наружной стороны, так что излучатель направлен в внутрь сферического перфорированного резонатора 3. К другой боковой поверхности установки закреплен «Волчек» 9 так, что измельчающий механизм (решетки, ножи) состыкован с полусферой. Под сферическим перфорированным резонатором 3 установлен лопастной механизм 7, обеспечивающий выгрузку высушенного продукта через дугообразный патрубок 5, одновременно выполняющий
Технологический процесс происходит следующим образом. Заранее следует включить холодильник 1 и обеспечить вакуум, после достижения достаточной отрицательной температуры в холодильной камере 2 включают электродвигатель 8 привода диэлектрической мешалки 6, лопастного механизма 7 и привод измельчителя «Волчек» 9. Замороженное сырье, измельченное с помощью волчка 9, подается в сферический перфорированный резонатор 3, после чего следует включить сверхвысокочастотный генератор 4. Замороженная влага из кристаллического состояния переходит непосредственно в парообразное состояние и удаляется из продукта. Это происходит с поглощением теплоты от воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). Измельченное замороженное сырье с помощью диэлектрической мешалки в процессе сушки за счет центробежной силы проходит через отверстия перфорации сферического резонатора.
Высушенный сыпучий продукт попадает на основании холодильной камеры 2, откуда с помощью лопастного механизма 7 продукт выводится через дугообразный выгрузной патрубок 5. Конденсатор-вымораживатель 10, периодически следует очищать от наросшего льда, открывая дверца 11. Установка работает в непрерывном режиме, обеспечивая сушку замороженного продукта в процессе воздействия ЭМПСВЧ. В предлагаемой установке подогрев сырья осуществляется за счет диэлектрического нагрева, что позволяет уменьшить продолжительность сушки и улучшить качество высушенной продукции.
В начале технологического процесса необходимо несколько увеличивать мощность генератора, а в конце процесса сушки надо уменьшить подводимую сверхвысокочастотную мощность. Чтобы полностью обеззараживать продукт от бактериальной микрофлоры напряженность электрического поля должна быть в пределах 2…5 кВ/см [2, 3].
Многомодульные установки. Разработаны многомодульные СВЧ установки, состоящие из генераторных блоков, куда будут пристыкованы соответствующие рабочие камеры, содержащие объемные резонаторы определенной конфигурации в зависимости от структуры сырья (рис.2.55, 2.56). Установка собрана из четырех съемных модулей: 1 - для размораживания тестовых заготовок и мучных изделий; 2 - для вытопки пасечного воска; 3 -для пастеризации молока, меланжа и вытопки топленого масла; 4 - для активирования бродильных процессов дрожжей. Модули содержат: резонаторную камеру определенной конфигурации для обеспечения соответствующей напряженности электрического поля; транспортирующие механизмы, обеспечивающие поточность процесса; датчики контроля технологического процесса. Каждый модуль состыкован к соответствующему генераторному блоку. Такое многомодульное исполнение установки позволяет снизить балансовую стоимость отдельных установок, а также обеспечивает санитарную безопасность, так как каждая установка содержит по два экранирующих корпуса. В зависимости от специфики перерабатывающих предприятий многоцелевая установка может быть укомплектована соответствующими модулями. Например, для малых фермерских хозяйств, установка (рис. 2.54) собрана из четырех съемных модулей для: активирования бродильных процессов хлебопекарных дрожжей,
Сублиматор с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженного продукта
Многократность цикличного воздействия ЭМПСВЧ через паузу исключает разрушение оболочки сырья, так как происходит выравнивание давления и температуры по объему сырья счет теплопередачи. Продолжительность воздействия ЭМПСВЧ регулируется частотой вращения дозатора и количеством его ячеек. При этом продолжительность воздействия ЭМПСВЧ на сырье в оболочках должна быть меньше, чем продолжительность паузы. СВЧ установка многоблочная, обеспечивает непрерывность процесса термообработки сырья в оболочке путем перемещения с помощью ячеистого дозатора, позволяющего управлять поток ЭМИ. Количество блоков влияет на производительность Циклический метод воздействия (нагрев-пауза) ЭМПСВЧ создает условие для обеспечения высокого качества продукта. При обеспечении высокой напряженности электрического поля СВЧ продукт полностью обеззараживается.
Сублиматор с сверхвысокочастотным генератором для сушки замороженного продукта (соавтор аспирант Викторова И.А.)
Во многих регионах России из-за неблагоприятных условий в осенний период овощи (например, капусту) не успевают своевременно убрать и заложить в овощехранилище. Замороженную капусту нельзя перерабатывать, поэтому фермерские хозяйства ежегодно сталкиваются с большими убытками.
Анализ показывает, что в сублиматоре теплоносителем может являться горячая вода или пар (контактная сушка), электронагревательные элементы (инфракрасными лучами) и токи высокой частоты.
Прототипом является усовершенствованное устройство и способ вакуумной микроволновой сушки пищевых продуктов (патент РФ № 2442084). Способ и устройство дегидратации пищевого продукта, согласно которому используют вакуумное СВЧ устройство с резонатором, имеющим периферическую область, и вращающуюся внутри резонатора карусель, имеющую множество отделений с продуктом. Недостатком является то, что сложны процессы равномерной загрузки продукта в отделения, и трудно осуществить выгрузку из них. Предварительные исследования показывают, что глубина проникновения
Технической задачей является разработка рабочей камеры, совмещающей функции сублиматора и объемного резонатора СВЧ генератора. С помощью многослойного перфорированного перекрытия из неферромагнитного материала 5 цилиндрическая камера 1 разделена на две части. Известно, что при проектировании сублимационной сушилки необходимо стремиться, до минимума уменьшить длину трубопровода и располагать сублиматор как можно ближе к конденсатору-вымораживателю
Процесс сушки замороженного продукта происходит следующим образом (рис. 4.25). Испаряемый пар не откачивается насосами, а конденсируется на конденсаторе 3, охлаждаемом до температуры ниже – 55оС. Конденсатор периодически необходимо очищают от наросшего льда, поэтому имеется люк 4 с герметически закрывающейся крышкой. В начале процесса запускают холодильный контур (3, 10, 11, 12,13). Далее загружают замороженный измельченный продукт (например, замороженную измельченную капусту) через люк 9 в объемный резонатор (в нижнюю часть сублиматора) и герметично закрывают люки 9 и 4 крышками. Включают вакуум-насос 2, предварительно подсоединив его к сублиматору 1 через патрубок. При достижении определенного вакуума, выключают вакуум-насос, одновременно включают СВЧ генератор 6 и электропривод мешалки 7. Вакуум обеспечивает испарение влаги из продукта. Переход льда из кристаллического состояния непосредственно (без плавления) в газообразное состояние происходит с поглощением теплоты. Чтобы в процессе испарения температура продукта не падала слишком сильно, подводим ЭМПСВЧ. Процесс сушки начинается после воздействия ЭМПСВЧ на измельченный замороженный продукт. Электромагнитная волна, проникая в продукт с потерями, ослабляется в направлении распространения в результате поглощения энергии, сопровождаемого выделением теплоты. Коэффициент поглощения энергии достигает максимального значения в тех зонах резонатора, где падающий, отраженный и боковой потоки энергии соизмеримы. Для каждого продукта устанавливается оптимальное значение подводимой мощности. При этом обеспечивается возможность преобразования максимальной энергии ЭМП в тепловую. Поток энергии от излучателя, попадая на многослойное перфорированное перекрытие из неферромагнитного материала, отражается. Очень слабый поток излучений проходит через перфорацию, который не влияет на технологический процесс. Испаренный пар проходит через перфорации перекрытия и конденсируется на конденсаторе-вымораживателе. Для нормального протекания процесса температура стенок конденсатора-вымораживателя должна быть ниже температуры продукта на 20…30оС, при достаточно развитой поверхности охлаждения. При помощи холодильного компрессора получают низкие температуры в конденсаторе-вымораживателе. Интенсивность испарения увеличивается в двух случаях: при увеличении количество теплоты, подводимой к продукту; при повышении скорости удаления образовавшихся паров, которая зависит от разности между давлениями пара у поверхности продукта и у поверхности конденсатора-вымораживателя. Для очистки конденсатора-вымораживателя от наросшего льда открывают люк. После этого загружают новую порцию замороженной продукции в объемный резонатор. В санитарном отношении способ безопасен; связная влага удаляется легко; высокое качество высушиваемого продукта. установлена система последующими установлены лампы, а цилиндрического противоположной