Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности (стр. 7 из 9)
Таким образом, рассмотренный тип облучателя позволяет получить равномерную с точностью до 3 дБ облучаемую поверхность на длине волны 7,1 мм диаметром от 50 до 300 мм. Диаметр облучаемой поверхности определяется расстоянием от рупорно-линзевой антенны до объекта облучения.
Сублимационная сушка
Одним из сравнительно новых способов консервации продуктов обеспечивающих максимальное сохранение вкусовых свойств и качеств свежих продуктов, является сублимационная сушка. При такой сушке хорошо сохраняются витамины, белки и ароматические вещества, продукты имеют малую массу и в герметичной упаковке, например из полиэтиленовой пленки, могут без ухудшения качества храниться многие годы.
В технологическом процессе сублимационной сушки продукты сначала быстро замораживают, потом помещают в вакуумную камеру, где производится откачка давления остаточных газов до 2,7 — 8 Па. В вакууме происходит интенсивное испарение льда. Этот процесс идет с поглощением тепла. Чтобы в процессе испарения температура продукта не падала слишком сильно, необходимо подводить тепло извне. Это так называемая теплота возгонки.
Сублимационную сушку можно проводить путем теплоизлучения: например, получать тепло от специальных пластин, нагреваемых горячей жидкостью и помещаемых в вакуумной камере вблизи лотков с замороженными продуктами. Постепенно лед будет испаряться (практически полностью), а продукт приобретает вид губки значительно меньшей массы. Испаряемая влага не откачивается насосами, а конденсируется на специальных конденсационных пластинах, охлаждаемых до температуры ниже —55°C. Эти пластины периодически очищают от наросшего льда.
После герметизации в полиэтиленовые пакеты сублимированные продукты можно перевозить и хранить без охлаждения.
Наиболее длительной и сложной технологической операцией при теплоизлучении является возгонка льда, которая в начале процесса сушки проходит при температуре поверхности продукта (— 40 ¸ —50)°C. В процессе сушки граница между высушенной и замороженной частями продукта, т.е. поверхность возгонки, постепенно перемещается вглубь, так что снаружи образуется высушенный слой с малой теплопроводностью, который препятствует передаче тепла к внутренним замороженным частям продукта. В результате для сушки теплоизлучением требуется от 8 до 24 ч. Если попытаться сократить это время, то можно перегреть наружные высушенные слои.
Сверхвысокочастотный нагрев позволяет подводить тепло равномерно по всему объему. А это позволяет уменьшить время сушки в 10 раз и более, что обеспечивает в конечном счете не только уменьшение стоимости сушки в 2 — 5 раз, но и улучшает качество сушеной продукции. Кроме того, появляется возможность создания не камерных, а конвейерных установок для сублимационной сушки. Общие капиталовложения, необходимые для сооружения крупного цеха сублимационной сушки с СВЧ нагревом, примерно на 30% меньше, чем при использовании нагрева за счет теплоизлучения.
Рассмотрим некоторые особенности сублимационной сушки с помощью СВЧ нагрева на примере сушки мяса.
При равномерном выделении тепла в объеме диэлектрика с потерями, каким в нашем случае является замороженное мясо, мощность потерь в единице объема (в ваттах на кубический см) определяется по формуле
P = 0,287 E 
f e 
* 10 
,
где f — частота, МГц; E — напряженность электрического поля, В/см; e — коэффициент диэлектрических потерь в продукте.
Рис. 16. Зависимости коэффициента потерь e
и диэлектрической постоянной e говядины от температуры:1 — для сырого мяса; 2 — для мяса, высушенного сублимационной сушкой (сплошная линия — на частоте 1000 МГц; пунктирная линия — на частоте 3000 МГц).
На рис. 16 показаны зависимости e 
и e от температуры сырого и высушенного мяса. По этим кривым видно, что e и e существенно уменьшаются в процессе сушки. Поэтому в первой половине технологического процесса необходимо несколько увеличивать подводимую мощность, но не настолько, чтобы произошло размораживание продукта или возник электрический СВЧ дуговой разряд. При дуговом разряде бесполезно теряется СВЧ мощность и происходит подгорание продукта. Если при атмосферном давлении пробивная напряженность электрического поля 30000 В/см, то при давлении остаточных газов 13,3 — 40 Па имеет место минимальная пробивная напряженность электрического поля, равная около 100 В/см в импульсе. При рабочих же давлениях в сушильных камерах менее 8 Па пробивная напряженность поля превышает 170 В/см на частоте 915 МГц и превышает 400 В/см для частоты 2450 МГц.
В процессе сушки поверхностные слои при СВЧ нагреве становятся практически сухими и обладают малой теплопроводностью, поэтому их температура становится положительной и может достигать нескольких десятков градусов. Максимальная температура высушенных частей не должна превышать определенных для каждого вида продуктов значений, чтобы не произошло ухудшение качества. Так, для говядины максимально допустимая температура +50°C, а для свинины — +40°C. Таким образом, чтобы не произошло перегрева наружных слоев, в конце процесса сушки надо уменьшить подводимую СВЧ мощность.
С другой стороны, как видно из рис. 16, при температурах ниже нуля потери (e ) примерно на порядок меньше, чем при комнатной и более высоких температурах. Это говорит о том, что только на СВЧ, учитывая множитель f в формуле для P, можно получить достаточную для сушки и равномерно распределенную по объему мощность путем выбора рабочей частоты в пределах 800 — 2500 МГц. В данном случае применимы рекомендации по конструированию камер для СВЧ нагрева, справедливые при малых потерях в диэлектрике.
Чтобы уменьшить опасность пробоя конструкция камер должна быть такова, чтобы электрическое поле в продукте было максимальным, а в окружающем вакууме не превышала допустимого значения. В простейшем случае этого можно достигнуть, помещая подвергающиеся сушке продукты между широкими стенками прямоугольного волновода с волной H10 вблизи его продольной оси.
Примеры применения СВЧ нагрева для приготовления пищи
В настоящее время СВЧ печи могут найти применение не только в общественном питании (рестораны, столовые, вагоны-рестораны), но и в быту.
Приготовление мяса. Благодаря выделению тепла во всем объеме довести до готовности мясо с СВЧ печи можно всего лишь за 1 — 5 мин (в сковородке на это требуется 40 мин). Равномерное выделение тепла по объему каждого куска обеспечивает в приготовленном мясе отсутствие непроваренных или непрожаренных мест. Кроме того, при столь быстром подогреве не происходит выпаривание соков, поэтому вкусовые качества получаются более высокими, чем при обычных способах готовки.
Размораживание мяса, фруктов и овощей. Замороженные продукты приобретают все большую популярность. Однако перед употреблением их необходимо разморозить, что требует длительного времени. После медленного размораживания их качество заметно ниже, чем у свежих продуктов. Чтобы представить выигрыш во времени при использовании СВЧ печей для размораживания, можно привести следующие данные по традиционным способам размораживания. Время оттаивания куска мяса массы 1,3 кг в холодильнике (мясо переложено из морозильной камеры в пространство с плюсовой температурой, близкой к нулю) 24 ч; при комнатной температуре 10 — 12 ч; при использовании вентилятора — 5 — 6 ч; в печи при 72°C или в проточной воде в водонепроницаемой упаковке 3 — 4 ч.
С помощью СВЧ нагрева разморозить фрукты и овощи можно за 1 — 3 мин. Это дает не только экономию времени, но и настолько увеличивает качество размороженных овощей и фруктов, что они почти не отличаются от свежих.
Глубина проникания СВЧ поля в замороженное мясо увеличивается с 2,85 см при —1,1°C до 68,7 см при —51°C на частоте 1000 МГц и с 1,5 см при 1,1°C до 42,3 см при —51°C на частоте 3000 МГц. Хотя разница здесь не столь велика, все же считается, что более глубокий прогрев удается обеспечить на более низких частотах, т.е. при рабочей частоте вблизи 1000 МГц, особенно если размеры обрабатываемого продукта превышают 5 см по толщине.
Торговые автоматы. Широкое распространение в торговле получили автоматы для продажи, например, газированной воды и газет, находят применение на почтах и в гостиницах автоматы по продаже конвертов и открыток и т.д.