Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физические методы обработки гидробионтов: Методическое пособие для слушателей факультета повышения квалификации

Голосов: 0

Пособие содержит описание современных методов обработки гидробионтов и предназначено для слушателей факультета повышения квалификации, обучающихся по специальности 271000 "Технология рыбных продуктов". Для того чтобы специалисты по технологии рыбы и рыбопродуктов осознанно применяли существующие физические методы обработки рыбы и рыбопродуктов и смогли разрабатывать новые методы, и посвящено данное методическое пособие "Физические методы обработки гидробионтов". Целью данного методического пособия является решение проблемы наведения моста между курсом общей физики и предметами, связанными с конкретными вопросами рыбообработки.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                        r
лебаний молекулы, а величина β =       означает понятие коэффици-
                                   2m
ента затухания колебаний молекулы.
   Путем несложных, но громоздких расчетов можно исходя из вы-
ражения (2.2) с учетом (2.5) получить следующее выражение для
величины работы сил трения:
                            1
                    A тр = − r A 2 (ω) ω 2 T .               (2.6)
                            2
   Энергия микроволновой волны затрачивается на преодоление
работы сил трения между молекулами в процессе их поляризации,
величина которой и определяется выражением (2.6). Эта энергия,
как и в любом другом случае по преодолению работы сил трения
переходит во внутреннюю энергию в виде тепла. Итак, согласно
закона сохранения энергии можно записать:

                            1
                 W = − A тр = r A 2 (ω) ω 2 T .               (2.7)
                            2
   Так как электрическое поле микроволнового излучения изменя-
ется по гармоническому закону, изображенного на рис.2.1 , то необ-
ходимо рассматривать процесс усреднения энергии микроволнового
излучения по периоду волны T . Это означает, что нам необходимо
перейти к рассмотрению понятия мощности микроволнового излу-
чения в виде:

                   1
                     r A 2 (ω) ω 2 T
               W 2                    1
            P=   =                   = r A 2 (ω) ω 2 .        (2.8)
               T           T          2

   Выражение (2.8) с учетом соотношения (2.6) далее принимает
следующий вид:
                           r E 0 ω2 q 2
                               2
                P =
                         ((      2
                                  )
                     2 ω0 − ω2 + 4 β 2 ω2 m
                         2
                                            .
                                              )          (2.9)


   Выражение (2.9) определяет величину энергии, идущей на на-
грев обрабатываемого рыбопродукта. Проведем анализ выражения
(2.9) относительно величин, в него входящих:

                                                                21


   1). Из выражения (2.9) следует, что величина поглощаемой энер-
гии микроволнового излучения пропорциональна квадрату ампли-
туды электрического поля. Это означает, что, изменяя режим рабо-
ты микроволновой печи в 2 раза мы можем увеличить величину по-
глощаемой энергии в 4 раза, а, например, изменяя амплитуду поля в
10 раз, мы можем увеличить величину поглощаемой энергии в 100
раз и т.д.
   2). Из выражения (2.9) также следует, что величина поглощаемой
энергии рыбопродуктами пропорциональна квадрату частоты мик-
роволнового излучения. Данный факт означает, что аналогично
предыдущему пункту изменяя незначительно величину частоты из-
лучения можно значительно увеличить величину поглощаемой
энергии микроволнового излучения.
   3). Величина ω0 в выражении (2.9) означает понятие собствен-
ной частоты колебаний отдельной компоненты рыбопродукта (на-
пример, для молекулы воды). Учитывая, что рыбопродукты имеют
сложную структуру, то для точного контроля технологии рыбооб-
работки необходимо в выражении (2.9) проводить суммирование
пор всем собственным частотам различных компонентов рыбы.

    3.Технический расчет процесса поглощения энергии рыбой.
   Выше было отмечено, что микроволновый процесс обработки
рыбопродуктов очень затруднителен для общего случая и его мож-
но провести только в простейших случаях.
   Рассмотрим следующую упрощенную модель рыбообработки
(рис. 2.2). Пусть обрабатываемый продукт находится в пространст-
ве между двумя плоскими металлическими пластинами, к которым
подводится электрическая энергия от генератора СВЧ.
   Приведенные на рисунке пластины можно рассматривать в каче-
стве плоского конденсатора, емкость которого имеет следующий
вид:

                              ε0 εS
                         C=         .                      (3.1)
                                d
где S – площадь пластины, d – расстояние между пластинами.




22


                               Рис. 2.2

   Ранее было отмечено, что механизм нагрева рыбопродуктов за-
ключается в процессе поляризации связанных зарядов молекул ры-
бопродукта. Движение зарядов при поляризации можно рассматри-
вать как поляризационный ток.
   В электротехнике нагрев материальных тел электрическим током
рассчитывается на основе закона Джоуля-Ленца, который имеет
следующий вид для мощности подводимой СВЧ энергии.

                                U U2
                   P=U⋅I=U⋅       =     .                     (3.2)
                                R    R
   В выражении (3.2) величина U = E ⋅ d представляет из себя вели-
чину напряжения между обкладками конденсатора, а величина R
представляет из себя активное сопротивление обрабатываемого ры-
бопродукта.
   Выше было отмечено, что диэлектрическая проницаемость ры-
бопродуктов при СВЧ нагреве является комплексной величиной,
следовательно, комплексной величиной будет и сопротивление всей
системы.




                                                                23


                              Рис. 2.3

  Исходя из приведенного рисунка 2.3 можно записать следующее
выражение для тангенса угла δ :
                                    X
                           tg δ =     .                    (3.3)
                                    R
   В выражении (3.3) величина реактивного или мнимого сопро-
тивления Х в процессе рыбообработки складывается только из ре-
активного сопротивления конденсатора, равного
                                1
                          X=      ,                        (3.4)
                               ωC
тогда выражение (3.2) с учетом выражений (3.3) и (3.4) принимает
следующий вид:

                    P = E 2 d 2 tg δ ω C .                (3.5)
   С учетом выражения (3.1) соотношение (3.5) можно преобразо-
вать к следующему виду:
                         P = 2 π ε0 ε f E2 .              (3.6)
   Выражение (3.6) определяет величину мощности, которую мож-
но получить от СВЧ генератора в процессе рыбообработки.

  4. Выбор рабочего режима микроволнового нагрева рыбо-
продуктов.
  В предыдущем параграфе было получено выражение для вели-
чины мощности P , которую можно получить от СВЧ генератора.
24


Подставляя величины соответствующих постоянных выражение
(3.6) можно записать в следующем виде:
                   P = 0,556 ε f E 2 tg δ ⋅ 10 − 10 .        (4.1)
   В выражении (4.1) величина диэлектрической проницаемости
для воды, из которой на 70 – 90% состоят рыба, и морепродукты
составляет порядка (ε ≈ 81) . Величина частоты f для обычных СВЧ
генераторов, называемых магнетронами, составляет порядка 915 –
2450 Мгц. Величина тангенса угла диэлектрических потерь tg δ со-
ставляет порядка 0,5 ÷ 2 .
   Особо следует отметить относительно выражения (4.1), что
мощность P пропорциональна второй степени величины напря-
женности электрического поля E . Это означает, что изменять в ра-
бочем режиме установки микроволнового нагрева величину напря-
женности в 2 раза, мы можем увеличить величину подводимой
мощности в 4 раза. Увеличивая же напряженность электрического
поля E в 10 раз, мы можем увеличить отбираемую мощность от
СВЧ генератора в 100 раз. Казалось бы, увеличивая во много раз
величину напряженности электрического поля E во много раз, мож-
но было бы неограниченно увеличивать величину отбираемой СВЧ
мощности от генератора, значительно ускоряя технологический
процесс. Однако увеличение величины напряженности электриче-
ского поля E приводит к пробою материальных тел. В данном слу-
чае промежуток рыбы между металлическими пластинами будет
просто закорачиваться.
   Что касается значения величины рабочей частоты f СВЧ генера-
тора, то, как показывает опыт, эта величина оказывает сильное
влияние на величину потери влажности обрабатываемого рыбопро-
дукта. Дело в том, что для получения готового продукта необходи-
мо избегать сильной потери влажности обрабатываемого рыбопро-
дукта. Поэтому были предприняты многочисленные попытки теоре-
тически оценить минимальное значение рабочей частоты f .
   Кроме этого величина частоты f также оказывает влияние на
величину глубины проникновения электромагнитного поля в веще-
ство. В случае СВЧ обработки рыбопродуктов наиболее приемле-
мой формой обрабатываемого рыбопродукта является цилиндриче-
ская форма объекта. Данный факт для рыбы выполняется сравни-
тельно удовлетворительно.

                                                               25


   5. Выбор массы обрабатываемого рыбопродукта.
   Процесс рыбообработки методом СВЧ-нагрева включает в себя
следующие два этапа:
   1. За счет интенсивного подвода энергии от СВЧ генератора бы-
стро нагревается обрабатываемый рыбопродукт от начальной тем-
пературы Tн до конечной температуры Tк , которая называется
"температурой кулинарной готовности" и которая составляет
обычно величину порядка 85 − 97 0 С .
   2. После доведения температуры обрабатываемого рыбопродукта
до значения Tк значение подводимой мощности снижается до уров-
ня, необходимого для поддержания "температуры кулинарной го-
товности" с учетом возможных потерь энергии.
   Выше мы отметили, что СВЧ энергия поглощается только по-
верхностью обрабатываемого рыбопродукта, а окружающий обра-
батываемый рыбопродукт воздух в рабочей камере, стенки рабочей
камеры и контейнер, в который заключен обрабатываемый рыбо-
продукт не нагреваются. В действительности на первоначальном
этапе обработки рыбопродукта в результате резкого перепада тем-
пературы происходят теплопотери в виде нагрева контейнера
(Q конт ) , нагрева воздуха и стенок камеры (Q ср ) .
   На основании сказанного запишем закон сохранения энергии в
следующем виде:
                  Q обр = Q пол + Q конт + Q ср .        (5.1)
   В выражении (5.1) величина Q пол означает полезную величину
теплоты, идущую на нагрев поверхности рыбы. Запишем для вели-
чины Q пол следующее выражение:
                      Q пол = с ⋅ m ⋅ Δ T ,                 (5.2)
где величина с называется удельной теплоемкостью, а величина m
представляет из себя величину массы обрабатывае6мого продукта,
а величина Δ T = Tк − Tн представляет из себя величину интервала
температурного нагрева.
   Следовательно к.п.д. процесса рыбообработки определяется сле-
дующим выражением:


26


                            Q пол с m Δ T
                    η=            =       .                   (5.3)
                            Q обр   Q обр
   Величина удельной теплоемкости с в выражении (5.3) является
известной     величиной         и   составляет  обычно    величину
3,4 − 42 кДж / кг ⋅ К . Величина интервала температур Δ T также яв-
ляется известной величиной. Поэтому для повышения к.п.д. рыбо-
обработки необходимо повышать массу обрабатываемого продукта.
   Величина массы обрабатываемого рыбопродукта должна удов-
летворять двойному нестрогому неравенству:

                      m min ≤ m opt ≤ m max .                 (5.4)
   Двойная форма записи выражения (5.4) обусловлена следующи-
ми двумя положениями:
   1. Если масса обрабатываемого рыбопродукта будет меньше зна-
чения m min , то СВЧ энергия будет использоваться не полностью и,
следовательно, часть подводимой мощности будет возвращаться
назад в генератор, что будет приводить к ухудшению режимов его
работы.
   2. С другой стороны, при увеличении массы обрабатываемого
рыбопродукта выше значения m max , будет происходить снижение
величины удельной поглощаемой мощности, что будет приводить к
увеличению потерь в окружающую среду и к снижению к.п.д. про-
цесса.
   Что касается возможности определения максимального значения
массы обрабатываемого рыбопродукта по геометрическим размерам
рыбы, то этот процесс оказывается трудным. Поэтому на практике
поступают следующим образом. Так как плотность рыбы составляет
порядка 1000 – 1100 кг / м 3 , т.е. является близкой по величине к
плотности воды, то для определения максимально возможного зна-
чения массы обрабатываемого рыбопродукта рабочую камеру за-
полняют водой.

Тема №3. Обработка морепродуктов инфракрасным излучени-
                           ем

  1. Основные характеристики инфракрасного излучения.

                                                                27


   Тепловым излучением называется электромагнитное излучение,
испускаемое телами за счет внутренней энергии.
   При обработке морепродуктов применяется инфракрасный диа-
пазон теплового излучения. Причем, если инфракрасная область
занимает диапазон длин волн порядка 0,76 – 350 мкм, то при обра-
ботке рыбы используется диапазон от 1 до 6 мкм (1 мкм = 10-6 ), а
СВЧ диапазон занимает от 1 мкм до 1м.
   В пищевой промышленности инфракрасное излучение создается
различными нагретыми телами: нитями ламп, плитами и т.д.
   Для технологии процесса рыбообработки необходимо знать сле-
дующие основные характеристики теплового излучения:
   1). Интегральная излучательная способность тела.
   Данная величина характеризует поток энергии теплового излу-
чения в единицу времени с единицы поверхности и по всем длинам
волн при данной температуре тела T . Эта величина обозначается
следующим образом E (T ) .
   2). Спектральная излучательная способность тела.
   Данная величина характеризует поток энергии теплового излу-
чения в единицу времени, с единицы поверхности и в единичном
диапазоне длин волн от λ до λ + d λ при данной температуре тела
T . Данная величина обозначается, как E (λ , T ) и определяется сле-
дующим образом:

                                d E (T )
                      E (λ , T ) =       .                   (1.1)
                                  dλ
   Из определения данной величины можно сделать вывод относи-
тельно того, что данная величина является очень важной в техноло-
гии рыбообработки.
   3). Поглощательная способность тела.
   Данная величина характеризует долю поглощенного телом пото-
ка энергии теплового излучения d Ф погл от величины падающего
потока излучения d Ф пад и определяется следующим выражением:
                              d Ф погл
                       a (λ , T ) =    .                    (4.2)
                              d Ф пад
   Из определения данной величины следует, что она характеризует
интенсивность рыбообработки.
28


   4). Отражательная способность тела.
   Данная величина характеризует долю отраженного потока энер-
гии теплового излучения d Ф отраж от величины падающего потока
теплового излучения d Ф пад и определяется следующим образом:
                                      d Ф отраж
                       ρ (λ , T ) =               .         (1.3)
                                      d Ф пад
   Данная величина очевидно характеризует долю энергии теплово-
го излучения, которая не используется в процессе рыбообработки и
поэтому она характеризует величину к.п.д. процесса.
   5). Пропускательная способность тела.
   Данная величина характеризует долю потока энергии теплового
излучения, пропускаемого телом d Ф проп от величины падающего
потока энергии d Ф пад и определяется следующим образом:
                                         d Ф проп
                          d (λ , T ) =                .     (1.4)
                                         d Ф пад
   Данная величина характеризует интенсивность процесса рыбо-
обработки по глубине объекта.
   Согласно выражений (1.2), (1.3) и (1.4) можно записать следую-
щее соотношение, определяющее связь поглощательной, отража-
тельной и пропускательной способностями материального тела:

              a (λ , T ) + ρ (λ , T ) + d (λ , T ) = 1 .    (1.5)

   2. Основные законы теплового излучения.
   В природе существуют очень большое многообразие материаль-
ных тел, поэтому возникает необходимость поиска тела, относи-
тельно которого можно описывать поведение других тел.
   Таким телом является абсолютно черное тело, которого в приро-
де не существует, а его можно рассматривать в качестве модели.
Под данной
моделью можно рассматривать замкнутую полость с небольшим
отверстием. Стенки данной полости нагреваются, а излучение, вы-


                                                                29


ходящее из отверстия полости и называется излучением абсолютно
черного тела.
   Объяснить природу теплового излучения можно только с кван-
товой точки зрения. Согласно которой излучение испускается телом
не непрерывно, а в виде отдельных порций, называемых квантами,
энергия кванта пропорциональна частоте излучения:

                          E кв = h ⋅ ν .                      (2.1)
                                             -34
   В выражении (2.1) величина h = 6,626·10 Дж·с. называется по-
стоянной Планка.
   Для абсолютно черного тела Макс Планк получил точную теоре-
тическую формулу для спектральной излучательной способности
абсолютно черного тела E (λ , T ) . Графическую интерпретация дан-
ной формулы приведена на рис.3.1:




                            Рис.3.1
   Для величины спектральной излучательной способности абсо-
лютно черного тела, изображенной на рис.3.1 существуют следую-
щие закономерности.
   1). Закон смещения Вина.
   Из приведенного рисунка видно, что с увеличением температуры
T максимум спектральной излучательной способности абсолютно


30



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика