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

входная мощность уменьшается с 15 до 10 вт и» наконец, до 5 вт путем регулировки СВЧ-генератора. Такое умень­

шение входной СВЧ-мощности необходимо для предот­ вращения перегрева высушенной части продукта, как это предсказывалось в- примере с составной диэлектри­ ческой моделью, приведенном выше в разд. II, В. Кривая пробивной мощности на фиг. 14 показывает уровень. мощности, при котором в процессе сушки наблюдается пробой в резонаторе. Уровень пробивной мощности сна­ чала растет до тех пор, пока температура замороженного продукта не перестает возрастать с увеличением коэффи­ циента потерь (фиг. 1). Температура растет до тех пор, пока не достигается баланс между подведенным количе­ ством тепла и тем, которое требуется для возгонки влаги.

Ближе к концу цикла сушки пробивная мощность падает вследствие того, что пропорционально растет доля высу­ шенного продукта, коэффициент потерь которого ниже коэффициента потерь в замороженном продукте. В течение большей части процесса (фиг. 14) пробивная мощность превышает 50 вт, что в несколько раз больше’ 15 вт,

требующихся для нагрева. Превышение рабочей мощности может привести к перегреву продукта и его разморажи­ ванию. При СВЧ-нагреве размораживание (расплавление льда) происходит внутри продукта, где высокие потери в оттаявшем продукте могут причинить неконтролируемое нагревание, парообразование и вздутие. Ограничивать рабочую мощность необходимо главным образом потому, что пары, образовавшиеся в результате возгонки, спо­ собны прорваться наружу через высушенную часть про­ дукта, если отсутствует достаточный перепад давлений. Избыточное давление внутри материала соответствует более высокой температуре, как показывает кривая дав­ ления паров на фиг. 3.

Зависимость пробивной мощности от давления пред­ ставлена на фиг. 15. В основном ее форма та же, что и на фиг. 4. Числовые значения мощности и давления зависят от свойств продукта, толщины, частоты и геометрии вакуумного пространства. Потери, а также толщина слоев продукта увеличивают значение пробивной мощности. В случае малых вакуумных объемов кривая сдвигается вправо (более высокие давления). При более высокой

рабочей частоте пробивная мощность должна, как прави­ ло, повышаться в соответствии с уравнением (1), подобно тому, как это наблюдается для кривой на фиг. 4 на час­ тоте 2450 Мгц. Большая часть экспериментальных ис*

следований и инженерных разработок [5] проходила при давлениях порядка 2 -10“2 -5- 6-10”2 мм рт. ст. Соответ­

ствующие пробивные напряженности поля для частоты 915 Мгц, согласно фиг. 4, лежат в диапазоне от 170 до 320 в{см.~Для достижения таких же пробивных полей

в диапазоне высоких давлений нужно работать при дав­ лении выше 4 мм рт. ст., но при этом происходит от­

таивание большинства продуктов.

В. Экспериментальные результаты. На фиг. 16 дано

сравнение СВЧ- и обычной сублимационной сушки для мяса, нарезанного ломтиками толщиной 2,5 см. Данные,

первоначально полученные для одновидового резонато-

Сводка результатов экспериментального исследования процесса сублимационной сушки [15]

ра, представлены в приведенном виде (вес на 1 м2). Для обоих измерений исходная влажность составляла 60%. Была выбрана рабочая частота 915 Мгц. Для одного и

того же веса высушенного продукта времена сушки соста­ вили соответственно 22 и 2,5 час, т. е. отношение времен

процессов 9 : 1 . Для 5% содержания влаги времена суш­ ки составляют примерно 15,5 и 2,25 час, что соответствует

отношению 7 1. Использование СВЧ-энергии для за­ ключительной стадии сушки продукта было предложено в работах [18, 19]. Эта методика обладает рядом сущест­ венных преимуществ. Например, уменьшение содержания влаги с 10 до 5% путем радиационного нагрева пластины потребовало бы 2 час, в то время как при СВЧ-сушке.те

В табл. 1 представлены типичные времена сушки не­ которых продуктов до конечного содержания влаги 2% путем СВЧ- и радиационного нагрева. Времена сушки как для частоты 915 Мгц, так и для 632 Мгц приблизи­

тельно одинаковы для различной толщины ломтиков мя­ са. При частоте 632 Мгц обычно требуется незначительно

увеличить время сушки. Аналогично для лущеного го­ роха время СВЧ-сушки не зависит от толщины слоя вплоть до 6,3 см. Этот верхний предел толщины фактически обус­

ловлен физическими размерами резонатора и весового механизма. Для таких продуктов, как, например, горох, поверхность зерен нужно пробуравливать или разрых­ лять, чтобы обеспечить выход влаги. По той же причине следует делать насечки на панцире раков.

Для времени обычной радиационной сушки, приве­ денного в табл. 1, предполагается поддерживать темпера­ туру поверхности продукта ниже 50 °С для предотвраще­ ния поджаривания. Время радиационной сушки в основ­ ном существенно зависит от толщины. Например, для сушки ломтика мяса толщиной 2,5 см требуется в два

раза больше времени, чем для сушки такого же куска толщиной 1,25 см (для достижения уровня влажности 2%).

Сушка гороха радиационным нагревом, как правило, требует 8 час для слоя толщиной. 1,9 см. Толстые слои

обрабатывать непрактично, поскольку время сушки не­ пропорционально возрастает с увеличением толщины.

Последнее происходит вследствие ограниченной глубины проникновения при радиационном нагреве и плохой теп­ лопроводности лущеного гороха. В противоположность этому комбинация малого времени сушки и большей глу­ бины проникновения поля до основания приводит к улуч­ шенному процессу сушки с 13-кратным выигрышем во времени при сублимационной СВЧ-сушке.

Максимальные диапазоны возгонки, показанные в табл. 1, используются при расчете способности отводить пар из вакуумной системы, применяемой для сублимацион­ ной сушки. При использовании охлаждаемых конденса­ ционных устройств необходимая емкость охлаждающей

(в мм рт. ст.). Этот объем может оказаться слишком

большим при низких давлениях, используемых для суб­ лимационной сушки. При таких низких давлениях тре­ буются также короткие паропроводы и большое попереч­ ное сечение пространства между продуктом и охлаж­ даемым конденсационным устройством. Подробно кон­ струкция вакуумной системы обсуждается в работе

[20].

В табл. 1 также содержатся данные об энергетике СВЧгенератора, необходимого для подведения максимальной мощности во время цикла сушки, а также о норме выхода продукта в процессе сушки в кг высушенного продукта на квт-ч СВЧ-энергии. Например, при загрузке 340 кг

свежезамороженного зеленого горошка требуется выход­ ная мощность генератора 340 X 0,283, т. е. -—^100 кет.

Если сушка ведется до 2% влажности, то высушенный горох весил бы /-^68 кг ив процессе сушки потребовалось бы 68 : 0,277 = 245 квт-ч энергии.

Данные, приведенные в табл. 1, являются усреднен­ ными величинами по результатам экспериментальных ис­ следований процесса сублимационной сушки с использо­ ванием одновидового резонатора. Сушка проводилась СВЧ-мощностыо, уровень которой на входе изменялся во времени по определенной программе. При экстрапо­

ляции этих данных следует учитывать широкое разнообра­ зие свойств продуктов и электрический к. п. д.

К- п. д. данной резонаторной полости определяется следующим образом. Убыль веса продукта, разделенная на входную мощность (в вт), сравниваегся с теоретиче­

ской теплотой возгонки (обычно используется значение 820 вт-ч/кг). В описанных выше экспериментах только

10— 15% максимальной мощности было затрачено на нагревание стенок резонатора вследствие электрического сопротивления и токов в стенках. Однако, когда продукт уже высушен, его способность к поглощению тепла умень­ шается и потери в резонаторе становятся более ощути­ мыми. Полезная мощность в этом случае мала, поскольку уровень общей_входной мощности к концу цикла сушки уменьшается.

Г. Резонатор ортогонального типа. Объем резонатора, предназначенного для обработки больших количеств про­ дуктов, должен быть существенно больше, чем в экспери­ ментах с одновидовым резонатором, который использо­ вался в работе [5] для получения технологических дан­ ных. При работе больших резонаторов на СВЧ в^резуль­ тате образования стоячих волн чередующиеся большие и малые электрические поля стремятся распределиться по всему объему. Поскольку области с большой напряжен­ ностью должны быть малы (порядка 10 см на частоте 915 Мгц), требуется соответствующее размещение про­

дукта для достижения однородного процесса. Но даже при оптимальном размещении продукта малое изменение частоты генератора может изменить распределение по­ лей.

Технические вопросы достижения однородности про­ цесса на СВЧ рассматривались в работах [14, 21 и др.1. Одно из устройств, использовавшихся в работе [5] для сублимационной сушки одновременно двадцати ломти­ ков мяса, содержит резонатор, в котором возникают две стоячие волны, частично перекрывающие одна другую в пространстве.

Принципы работы таких резонаторов средних размеров показаны на фиг. 17. На фиг. 17, а изображен резонатор,

имеющий три максимума стоячей волны. Справа показана поляризация волны (горизонтальная). На фиг. 17, б

показан резонатор, сдвинутый по отношению к предыду­ щему на расстояние четверти длины волны, использую­ щий вертикальную поляризацию. Если совместить эти два резонатора, как показано на фиг. 17, в, то получим вдоль оси область однородного поля почти по всей длине резонатора. Горизонтальные и вертикальные проволоч­ ные сетки действуют как торцевые стенки резонаторов для соответствующей поляризации волны, но являются прозрачными для волны с противоположной (измененной на 90°) поляризацией. Такую форму резонатора называют резонатором ортогонального типа вследствие взаимно перпендикулярного расположения двух составляющих электрического поля. Подобное устройство описано в работе [22].

На фиг. 18 дан разрез аналогичного резонатора, в ко­ тором вакуумная камера совмещена с резонатором. Го­ ризонтальная сетка расположена на расстоянии четверти длины волны от экранирующей стенки. Вертикальная сет­ ка соединена с настроечным поршнем и1 удалена от него также на четверть длины волны. Узел поршня и верти­ кальную сетку можно перемещать в продольном направ­ лении, осуществляя настройку обоих типов одновремен­ но. Продукт загружается через люк в вакуумной камере

иподвешивается в центре камеры, которая имеет размеры 25 X 25 X 140 см. Труба диаметром 25 см обеспечивает

минимальный перепад уровней давления между камерой

иохлаждаемыми конденсационными устройствами. СВЧмощность подводится с помощью петли связи. Непрерыв­ ное взвешивание продукта осуществляется с помощью пру­

жинных весов (не показаны).IV.

IV. Системы конвейерного типа

Системы конвейерного типа удобны с точки зрения применения СВЧ-энергии и позволяют распространить принципы дозированной сублимационной сушки на про­ мышленную обработку продуктов. Непрерывное переме­ щение продукта через резонатор или волновод обеспечи­ вает равномерное нагревание продукта и способствует минимальным вариациям электрических полей. Кроме того, нагрузка СВЧ-генератора в этом случае постоянна.

А. Регулярный волновод. В регулярном волноводе (с постоянным сечением), в котором резонатор обеспечи­ вает непрерывную подачу продуктов, последние нагре­ ваются вдоль конвейера неравномерно. В крупных су­ шильных СВЧ-установках важно ставить резонаторы, обеспечивающие равномерный нагрев, при этом достига­ ется выигрыш в длине транспортера.

Количество испаренной воды зависит от величины под­ веденной энергии, так что любой участок слабого нагре­ ва вдоль ленты конвейера, по сути дела, ничего не дает для того, чтобы увеличить общее количество подво­ димой энергии. Например, интенсивные составляющие стоячих волн электрического поля можноаппрокси­ мировать полусинусоидами, так что неравномерность нагрева пропорциональна квадрату синуса. Результирую­ щий средний нагрев составляет лишь половину макси­ мальной величины, которая в свою очередь ограничена допустимыми отклонениями размеров продукта или про­ бивным напряжением вакуума. Таким образом, для одной и той же общей энергии длина конвейера должна быть удвоена по сравнению с системой, в которой поле однородно.

Трудности, вызванные стоячими волнами, можно свести к минимуму, если выбрать такую длину волновода и кон­ вейера, при которой поглощается практически вся СВЧмощность. В этом случае передача тепла продукту умень­ шается экспоненциально с расстоянием от источника мощ­ ности, так что значительная часть длины конвейера прак­ тически не используется. В работе [13] описано подобное устройство для экспериментального непрерывного про­ цесса сублимационной СВЧ-сушки. Чрезмерной протя­ женности волноводного резонатора можно избежать пу­ тем присоединения к выходному концу волновода согла­ сованной нагрузки и использования для нагревания про­ дукта только части мощности распространяющейся волны. Однако в такой схеме СВЧ-мощность расходуется расто­ чительно.

Б. Сужающийся волновод. Новый тип СВЧ-волновод- ного резонатора показан на фиг. 19. Волновод на кон­ цах сужается таким образом, что обеспечивается равно­ мерный нагрев продукта по всей длине волноводного резонатора, который может достигать длины порядка I м