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.
    черного тела смещается в область более коротких длин волн. Этот
факт теоретически записывается следующим образом:

                                 b
                          λ max =   ,                        (2.2)
                                 T
в выражении (2.2) величина b = 2,9·10-3 м·К называется первой по-
стоянной Вина.
   2). Закон Стефана-Больцмана.
   Интегральная излучательная способность абсолютно черного те-
ла пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.
Данный факт носит название закона Стефана-Больцмана и записы-
вается в следующем виде:
                       E (T ) = σ ⋅ T 4 .                    (2.3)
                                          -8   2
в выражении (2.3) величина σ = 5,67·10 Вт/м называется посто-
янной Стефана-Больцмана.
   3). Максимум спектральной излучательной способности абсо-
лютно черного тела пропорционален пятой степени абсолютной
температуры. Данный факт записывается следующим образом:

                      E max (λ , T ) = C ⋅ T 5 .              (2.4)
   В выражении (2.4) величина C = 1.3·10-5 Вт/м3 называется второй
постоянной Вина.
   4). Отношение спектральной излучательной способности к по-
глощательной способности при данной температуре для любого те-
ла есть величина постоянная и равная излучательной способности
абсолютно черного тела:
                       e (λ , T )
                                  = E (λ , T ).               (2.5)
                       a (λ , T )

   3. Технология обработки рыбопродуктов инфракрасным из-
лучением.
   Физический механизм нагрева рыбопродуктов заключается в
том, что энергия инфракрасного излучения, проникая вглубь ткани
обрабатываемого рыбопродукта, поглощается молекулами рыбы.
При этом увеличивается энергия теплового движения молекул и
обрабатываемый рыбопродукт нагревается.

                                                                31


   Применение инфракрасного излучения для целей обработки пи-
щевых продуктов началось в 40-вые годы во Франции в сардинно-
шпротном производстве. Особенность данного вида приготовления
консервов заключается в том, что ткани различных рыб характери-
зуются различными избирательными видом способности поглоще-
ния, поэтому для каждого вида рыбопродуктов можно подобрать
соответствующий частотный диапазон инфракрасного излучения.
   Многочисленными исследованиями установлено, что проникно-
вение инфракрасного излучения вглубь рыбопродукта происходит
на величину до 3 см. При этом термическая обработка рыбы инфра-
красным излучением осуществляется двумя способами:
   1). Просушка с пропеканием.
   В данном случае осуществляется постепенный прогрев тканей
рыбы на глубину инфракрасным излучением с длиной волны или
ниже 2,5 мкм, или выше 3,5 мкм. Данный диапазон соответствует
температурному диапазону или ниже 800 К или выше 1200 К, где
находится максимум излучательной способности.
   2). Бланшировка.
   В данном случае происходит быстрый прогрев поверхности ры-
бопродукта, за счет очень сильного поглощения тканями рыбы ин-
фракрасного излучения. Для длин волн этот диапазон определяется
следующим двойным неравенством 2,5 мкм < λ max < 3,5 мкм . В
данном случае максимум инфракрасного излучения заключается в
следующем температурном режиме 800 K < T < 1200K.
   При обработке рыбопродуктов инфракрасным излучением при-
меняются специальные лампы мощностью 250 Вт и 500 Вт со спе-
циальной конструкцией и с различными отражателями. Лампы ин-
фракрасного излучения имеют более низкую температуру накала
(2200-2500)К вместо (2990-3000) С 0 для осветительных ламп. Сле-
дует иметь в виду, что в спектре любого нагретого тела имеются
лучи с длиной волны больше 0,76 мкм, поэтому за счет понижения
температуры нагрева нити лампы удается получить энергию полез-
ного инфракрасного излучения до 80-90% с энергетическим к.п.д.
до 70%.

          Тема №4. Электрокопчение рыбных продуктов

     1. Теоретические основы электрокопчения.

32


   Копчение как способ консервирования пищевых продуктов при-
меняется с глубокой древности. За длительный период существова-
ния коптильных установок они оснащались все более совершенной
техникой, но технология копчения оставалась практически неиз-
менной. Объясняется это тем, что на скорость процессов тепло- и
массообмена, лежащих в основе технологии копчения, действие
применявшихся внешних факторов малоэффективно.
   Радикально усовершенствовать технологию копчения стало воз-
можным с применением новых физических методов воздействия на
продукт. К новым физическим методам воздействия, применяемым
при копчении, относится процесс копчения рыбы в электростатиче-
ском поле коронного разряда.
   Работы по созданию электрокоптильных установок начались
проводится в России и ряде других стран начиная с 1949 года. На
электрокоптильных установках нашей страны применяется техно-
логическая схема, впервые предложенная инженерами М.И. Кали-
тиной и А.А. Калитиным и осуществленная на электрокоптильной
установке Киевского рыбокомбината Украины. В этой схеме горя-
чего электрокопчения все процессы идут в такой последовательно-
сти:
   1). Подсушка;
   2). Осаждение дыма (собственно копчение);
   3). Пропекание;
   4). Охлаждение.
   Внедрение этой технологической схемы дало возможность эф-
фективно использовать электрическую энергию для активизации
процесса горячего копчения рыбы и получать продукт, по качеству
не уступающий продукту обычного горячего копчения.
   Термическая обработка продукта при электрокопчении осущест-
вляется с помощью инфракрасных лучей, свойства которых изло-
жены в предыдущей теме. Принципиально новым при электрокоп-
чении является процесс ускоренного осаждения дыма на продукт в
коптильной камере, которое происходит в электрическом поле ко-
ронного разряда.

  2. Электрический разряд в газах.



                                                             33


   В предыдущем параграфе было отмечено, что процесс электро-
копчения осуществляется посредством помещения обрабатываемо-
го рыбопродукта в область коронного разряда.
   Таким образом, для того, чтобы понять технологию электрокоп-
чения необходимо сначала рассмотреть особенности коронного раз-
ряда. Все разновидности газовых разрядов можно разделить на два
вида:
   1). Самостоятельный газовый разряд.
   В данном случае носители тока в газовом разряде появляются за
счет электрического поля между разноименно заряженными элек-
тродами (см. рис.4.1)




                             Рис.4.1.
   В любом газе имеется определенная доля свободных электронов.
Эти электроны ускоряются в электрическом поле межэлектродного
промежутка. При своем движении электроны сталкиваются с ней-
тральными атомами. Различают два вида соударений электрона с
атомом. Во-первых, когда энергия электрона невелика, то электрон
передает часть своей энергии атому и атом переходит в возбужден-
ное состояние, когда же энергия электрона велика, то электрон спо-
собен ионизовать нейтральный атом, который, теряя электрон, ста-
новится положительно заряженным ионом. После ионизации пер-
воначальный электрон и появившийся в результате ионизации ато-
ма электрон участвуют в дальнейшем в ионизации уже двух атомов.
Процесс ионизации далее носит нарастающий характер и в данном
случае процесс появления большого количества электронов назы-
вают электронной лавиной по аналогии лавины с гор, когда начав-

34


ший движение небольшой камень может приводить к сильным об-
валам и сходам снежных лавин. Данный процесс соударений элек-
тронов с атомами носит неупругий характер. Во- вторых, если ней-
тральный атом принимает движущийся электрон, то в результате
этого он становится отрицательно заряженным ионом. Данный вид
соударений электронов с атомами носит неупругий характер.
   2). Несамостоятельный газовый разряд.
   В данном случае образование носителей тока в газовом проме-
жутке осуществляется за счет внешнего воздействия от различных
источников излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма
лучи и т.д.).




                           Рис.4..2.
   В данном случае напряжение на электродах не является очень
сильным, и разряд прекращается после прекращения деятельности
внешнего источника излучения.

   3. Особенности коронного разряда.
   Рассмотрим газовый промежуток между двумя электродами,
один из которых имеет очень маленький радиус кривизны. В дан-
ном случае обычно говорят, что коронирующий электрод выполня-
ется в виде острия. Изобразим данный факт на рис. 4.3:
   Будем увеличивать напряжение между электродами. Сначала
между электродами возникает несамостоятельный газовый разряд
                                                              35


за счет того, что внешние источники в виде излучения будут слегка
ионизовывать газовый промежуток, в котором всегда имеется не-



                                    +
                     Катод              Анод
                             -




большое число свободных электронов. При некотором значении

                            Рис.4.3.
напряжения U к начинается коронный разряд. Причем самостоя-
тельный коронный разряд концентрируется около острийного элек-
трода. Одни атомы ионизуются и создают дополнительные свобод-
ные электроны, которые вместе с первоначальными электронами
создают электронную лавину. Что касается других нейтральных
атомов, то они или возбуждаются, или становятся отрицательно за-
ряженными ионами. Возбужденные атомы, переходя в нормальное
состояние, излучают фотон. Поэтому коронный разряд, возникаю-
щий около коронирующего электрода светится, а остальной межэ-
лектродный промежуток является темным.
   Если коронирующий электрод является отрицательным электро-
дом, то корона называется отрицательной короной, а если корони-
рующий электрод является положительно заряженным, то корона
называется положительной короной.

   4. Условие стационарного коронного разряда.
   Если ввести в рассмотрение понятие электронной лавины в виде
процесса быстрого нарастания числа электронов за счет ионизации
первичными электронами нейтральных атомов, то при коронном
разряде необходимо рассматривать две электронные лавины, одна
начальная, другая следует потом.

36


   При первоначальной лавине происходит образование положи-
тельных ионов и дополнительных электронов, образующих саму
лавину. Так как ионы более массивны чем электроны, то они дви-
жутся медленнее и поэтому электроны быстрее успевают уйти из
разрядного промежутка, а ионы при этом остаются в разрядном
промежутке.
   Данные ионы, сталкиваясь между собой, дают новый поток элек-
тронов, которые и представляют собой вторую электронную лави-
ну, которая образует новые положительные ионы.
   Если при этом ввести в рассмотрение величину

                                  n1
                             μ=      ,
                                  n2
где n 1 − концентрация электронов, образовавшихся от первона-
чальной лавины, а n 2 − концентрация электронов, образовавшихся
от вторичной лавины, то в зависимости от величины μ возможны
следующие три случая развития коронного разряда. Рассмотрим эти
случаи по отдельности:
   1). μ 1 > 1. В данном случае происходит непрерывное нарастание
числа электронов и в разрядном промежутке происходит явление
пробоя, в результате чего промежуток закорачивается.
   2). μ < 1. В данном случае разряд будет со временем затухать из-
за недостатка электронов в промежутке для целей поддержания га-
зового разряда.
   3). μ = 1. В данном случае получается условие стационарного
коронного разряда.
   Условие стационарности протекания коронного разряда приво-
дит к падению напряжения на области темного пространства раз-
рядного промежутка, где и развиваются все три стадии копчения
рыбопродукта: во- первых, процесс зарядки дымовых частиц, во-
вторых, процесс движения дымовых частиц к поверхности рыбы, в-
третьих, процесс осаждения дымовых частиц на поверхности рыбы.

   5. Зарядка дымовых частиц в коптильной камере.
   Рассмотрим первую стадию копчения рыбопродукта в виде про-
цесса зарядки частиц дыма в коптильной камере. В предыдущем
параграфе было отмечено, что коронный разряд имеет место только
                                                                37


вблизи коронирующего электрода. Остальной промежуток пред-
ставляет из себя пространство, где процессы ионизации очень сла-
бые и в основном происходит образование отрицательных ионов,
которые движутся к поверхности положительного электрода, т.е. к
поверхности рыбы. На своем пути ионы оседают на дымовых час-
тицах и заряжают их.
   Следует иметь в виду, что частицы могут быть частично заряже-
ны, а с другой стороны они находятся в электрическом поле разряд-
ного промежутка. Рассмотрим этот процесс схематически с помо-
щью следующего рисунка 4.4.
   Из приведенного рисунка видно, что в электрическом поле раз-
рядного промежутка происходит поляризация молекул дымовых
частиц, приводящая к разделению связанных зарядов таким обра-
зом, что на правом крае частицы будут скапливаться положитель-
ные заряды, а на левом крае дымовой частицы будут скапливаться
отрицательные заряды. Тогда можно заключить, что между левой
частицей и ионом существует сила отталкивания, а между правой
частицей и ионом существует сила притяжения. Это означает, что

                                  Е

           Катод     ч а с т и ц а ион   частица   Анод
                          _         _        _
                       +                   +




                             Рис.4.4.
когда ион за счет силы притяжения достигает поверхности частицы,
то он ее заряжает в том случае, когда сумма сил притяжения между
частицей и ионом превысит силу их отталкивания. На данный про-
цесс также оказывает влияние тепловое движение ионов. Причем
для частиц радиуса r < 0,5 мкм заряд частицы осуществляется ис-
ключительно тепловым движением.

38


   Процесс зарядки может длиться десятки минут, например, при
тепловой диффузии ионов величина заряда частицы дыма пропор-
циональна логарифму времени.

   6. Движение заряженных частиц к поверхности рыбы.
   В данном параграфе рассмотрим вторую и третью стадии копче-
ния рыбы. Во-первых, рассмотрим процесс движения заряженной
дымовой частицы к поверхности рыбы. Следует иметь в виду, что
существуют три вида коптильных установок вертикального, гори-
зонтального и смешанного расположения элементов установки.
   На движущуюся заряженную частицу дыма действуют два вида
сил:
   1). Электрическая сила, ускоряющая частицу в направлении оса-
дительного электрода.

                            F1 = q E ,                   (6.1)
где q − заряд дымовой частицы, а E − напряженность электриче-
ского поля.
   2). Сила вязкого трения:

                       F2 = 6 π v η r ,                  (6.2)
где величина η − определяет понятие коэффициента вязкого тре-
ния, r − радиус заряженной дымовой частицы, v − скорость дви-
жения заряженной дымовой частицы.
   Движение дымовой частицы осуществляется под действием рав-
нодействующей силы:

                       Fравн = F1 − F2 .                    (6.3)
   Знак минус в выражении (6.3) означает, что силы вязкого трения
приводят к замедлению движения дымовой частицы.
   На первоначальном моменте движения, когда скорость дымовой
частицы или равна нулю или принимает небольшие значения дви-
жение дымовой частицы будет ускоренным и определяться в основ-
ном величиной первого слагаемого выражения (6.3). По мере уве-
личения скорости движения дымовой частицы величина второго
слагаемого в выражении (6.3) начинает увеличиваться, что будет


                                                              39


приводить к уменьшению величины равнодействующей силы Fравн
и, следовательно, ускорение частицы начинает уменьшаться до ну-
ля, когда сила со стороны вязкого трения не сравняется с величиной
силы со стороны электрического поля. В данном случае дымовая
частица будет двигаться равномерно со скоростью, которую можно
определить путем приравнивания правых частей выражений (6.1) и
(6.2). Итак, величина скорости равномерного движения дымовой
частицы в стационарном режиме будет определяться следующим
соотношением:

                                 F1
                           v=          .                   (6.3)
                                6π η r
   Оценки, проводимые согласно выражения (6.3), составляют по-
рядка 0,5 м/с, что согласуется с данными непосредственных изме-
рений.
   Что касается движения незаряженных дымовых частиц, то на
них будет действовать сила, определяемая следующим выражени-
ем:

                               d E 3 ε −1
                      F3 = E      r       ,                  (6.4)
                               dx ε+ 2
              dE
где величина      − градиент напряженности электрического поля
              dx
   Следует иметь в виду, что сила F3 , определяемая выражением
(6.4), приводит к движению незаряженных дымовых частиц в стро-
ну большего поля, т.е. в направлении к коронирующему электроду.
Эта сила возникает только в случае, когда диэлектрическая прони-
цаемость дымовых частиц отличается от диэлектрической прони-
цаемости окружающего частицы газа в разрядном промежутке.
   Благодаря большой концентрации частиц у коронирующего
электрода они могут сильно зарядиться и приобрести значительную
скорость в обратном направлении. Следовательно, еще не заряжен-
ные частицы приобретают скорость и притягиваются к коронирую-
щему электроду. При этом более крупные частицы оседают на нити
электрода, увеличивая его толщину, а более мелкие частицы проле-


40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика