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

упаковке продукты, высушенные с помощью сублима­ ционной сушки, могут сколь угодно долго храниться в неохлажденном виде; кроме того, полное обезвоживание обеспечивает меньший вес продуктов, чем при любом дру­ гом методе хранения.

Сублимационная сушка представляет собой процесс возгонки, при котором влага из замороженных продуктов удаляется без изменения их формы, цвета или аромата. При обычном процессе сублимационной сушки предвари­ тельно замороженные свежие или сырые продукты поме­ щают на лотках в вакуумную камеру и через пластины, нагреваемые жидкостью, подводится определенное коли­ чество тепла (теплота возгонки). Лед в продуктах испа­ ряется, а продукты получаются в виде твердого тела, напо­ добие губки. После герметизации в целлофановых мешоч­ ках или иной консервной упаковке продукты можно транспортировать и хранить без охлаждения. Перед едой, приготовлением или для придания продукту свежего ви­ да требуется лишь снова увлажнить его.

Во время сублимационной сушки с нагревающимися пластинами высушенный слой продукта, окружающий замороженную его часть, играет роль теплового барьера и препятствует передаче тепла от горячих пластин к внут­ ренней части продукта. Для полной возгонки льда тре­ буется сушка от 8 до 24 час. При СВЧ-нагреве, который

действует одинаково по всему объему, существенно уско­ ряется процесс сушки, увеличивается выход продуктов, и, таким образом, уменьшается стоимость продуктов, вы­ сушенных сублимационной сушкой.

Браун [1] использовал СВЧ-нагрев для сушки пени­ циллина с применением замораживания еще в 1947 г., однако практической реализации этот метод не нашел из-за отсутствия удовлетворительного для этих целей СВЧ-генератора. Бредбэри [2] предложил использовать для сублимационной сушки частоты свыше 200 Мгц.

Несмотря на то что были проведены успешные экспе­ рименты по ускоренной сублимационной сушке с исполь­ зованием энергии электромагнитных колебаний УКВ и СВЧ-диапазонов, инженерная проработка этого вопроса пока недостаточна. Джексон и др. [3] получили высушен­ ные сублимационной сушкой персики, разрезанные на

две части. Для этого они помещали их в стеклянную ка­ меру и облучали на частоте 2450 Мгц, Давление в камере составляло (5 -г- 10) 10~2 мм рпг. ст. Время приготовле­

ния оказалось на 90% меньше времени, требуемого при нагреве с помощью пластин. Копсон [4] применил СВЧэнергию для сублимационной сушки различных продук­ тов в объемах средних размеров. Более поздняя работа Хувера и др. [5] содержит информацию, полезную при конструировании больших конвейерных систем для подоб­ ной сушки. Эта работа включает как теоретический ана­ лиз процесса сублимационной сушки, так и эксперимен­ ты по сушке различных продуктов.

II.Теоретический анализ

А.СВЧ-нагрев диэлектрика. Сублимационная СВЧсушка подобна другим процессам СВЧ-нагрева, в кото­ рых тепло передается через весь объем материала, благо­ даря тому, что продукт имеет свойства диэлектрика с по­ терями. В частности, мощность потерь на единицу объема составит

где / — частота в М гц\ Е — импульсная напряженность электрического поля в в/см и е" — коэффициент диэлек­

трических потерь продукта. Однако в случае, когда про­ дукт остается замороженным во время процесса сушки, возникает ряд особенностей. Коэффициент потерь замо­ роженного продукта, как правило, на порядок ниже, чем у влажного продукта. Это видно из зависимостей коэф­ фициента потерь от температуры для мяса, показанных на фиг. 1. Коэффициент потерь для высушенного мяса еще меньше, как это видно на фиг. 2. Данные для этих кривых получены в работе [61.

Сушка с замораживанием может быть осуществлена в такой атмосфере разреженного газа, в которой парциаль­ ное давление воды ниже давления насыщенных паров за­ мороженного продукта. Иначе не будет происходить воз­ гонки и продукт не сможет оставаться замороженным. На фиг. 3 показана зависимость давления насыщенных

Ф и г. 2. Зависимости коэффициента потерь е" идиэлектрической постоянной е' от температуры для мяса, высушенного сублимационной сушкой при частотах 1000 и 3000 М щ (по данным работы [6]).

этого вакуумные камеры для сублимационной сушки рабо­ тают при давлениях ниже 1 мм рт. ст. При таких давле­

ниях происходит возгонка льда, а водяной пар легко транспортируется к охлажденным конденсационным пла­ стинам, где от него и избавляются. В работе 181 детально обсуждается технология традиционного процесса субли­ мационной сушки.

положена в направлении линий Е-поля (поперек волново­

да), как показано на фиг. 5. Распределение амплитуды поля вдоль широкой стенки волновода будет близко к синусоидальному с широким максимумом в центре волново­ да, где и расположена диэлектрическая вставка. В этом случае очевидно, что максимальные значения напряжен­ ностей электрических полей в вакууме и в диэлектрике практически одинаковы. Это представляет весьма жела­ тельное условие, поскольку рабочее напряжение далеко от пробивного напряжения в вакууме. Однако ширина волновода не должна превышать величины, равной длине волны, в противном случае может возникнуть волна ТЕ2о,

как показано на фиг. 6. В этом случае в центре волновода будет минимум напряжения и поле в диэлектрике соста­ вит лишь часть максимального поля в вакууме. На часто­ те 915 Мгц длина волны в свободном пространстве соста­ вит 32,8 см. Длина волны, соответствующая частоте 2450 Мгц, равна всего лишь 12,2 см. Ширина используемых

волноводов должна быть выбрана несколько меньшей, чем эти величины, поскольку диэлектрик представляет собой емкостную нагрузку1). В связи с этим отношение макси­ мального поля в диэлектрике к полю в вакууме порядка 1 : 1 требует в диапазоне СВЧ применения относительно узких волноводов.

Случай 2. Волна падает на толстый диэлектрик.

В этом примере ТЕМ -волна ^распространяется перпен­

дикулярно поверхности диэлектрического блока с низки­ ми потерями, имеющего очень большие размеры. Как по­ казано на фиг. 7, большая часть падающей мощности отра­ жается так, что в вакуумном пространстве возникает стоя­ чая волна. Волна, распространяющаяся в диэлектрике, бу­ дет иметь электрическое поле, амплитуда которого посто­ янна и равна по величине минимальной напряженности поля стоячей волны в вакууме. К с.в.н. в вакууме числен-)*

*) Заполнение волновода диэлектриком приводит к увеличе­

нию критической длины волны в -^е раз. Для сохранения перво­ начальной^длины волны Акр ширина волновода должна быть умень­

шена в е раз. Частичное заполнение волновода диэлектриком тре­ бует тем меньшего сокращения ширины волновода, чем уже диэлек­ трическая вставка.— П р и м . р е д .

но равен отношению сопротивлений, соответствующих вакууму и диэлектрику. В свою очередь это отношение равно корню квадратному из диэлектрической постоянной е продукта. Для продукта с диэлектрической постоянной, равной 4, к.с.в.н. равен 2,

Поскольку мощность нагрева зависит от квадрата напряженности поля вдиэлектрике [уравнение (1)], эффективный поток тепла в диэлектрике должен умень­ шиться в 4 раза по сравнению со случаем 1, в котором максимумы напряженностей электрического поля в вакууме и в диэлектрике равны.

Первый максимум стоячей волны удален от поверх­ ности диэлектрика на четверть длины волны; на частоте 915 Мгц это составит 8,2 см. Для коэффициентов диэлек­

трических потерь, типичных для замороженных продук­ тов, амплитуда волны, распространяющейся в продукте, уменьшается с расстоянием экспоненциально с исчезаю­ ще малым показателем (пунктирная кривая на фиг. 7). Глубина проникновения определяется расстоянием, на котором амплитуда поля уменьшается по сравнению с начальной величиной в е раз. В работе [8] показано, что

для типичных замороженных продуктов и на частоте 1000 Мгц это расстояние должно быть порядка дециметра.

Глубина проникновения не играет существенного значения в сублимационной СВЧ-сушке, поскольку она обычно больше размеров замороженных продуктов.

Случай 3. Волна падает на четвертьволновую пласти­ ну. Случай 3 подобен случаю 2, за исключением того, что

вставка из диэлектрика имеет толщину, равную четверти длины волны в диэлектрике. За вставкой также находит­ ся вакуум; предполагается, что стенки находятся в беско­ нечности. На фиг. 8 показаны амплитуды электрического поля для этого случая в предположении, что диэлектри­ ческая постоянная равна 4. Поле за вставкой постоянно и равно полю, устанавливающемуся на задней поверхности диэлектрика. В результате рассогласования сопротивле­ ний у этой тыльной поверхности диэлектрика возникает стоячая волна с к.с.в.н, равным 2 (в материале диэлектри­ ка). При этом минимум стоячей волны имеет место на лицевой поверхности диэлектрика, поскольку толщина диэлектрической вставки равна четверти длины волны.