CC BY
114
УДК 621.365.5.029.5, 664.046.1
Н.В. Бекренев, И.В. Злобина, В.А. Коломейцев
ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОЗИЦИИ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Выполнены экспериментальные исследования влияния нагрева композиций органических материалов, в частности - органических микропорошков СВЧ излучением в сравнении с конвекционным нагревом. Получены результаты, доказывающие существенное повышение равномерности свойств материалов при воздействии СВЧ излучения с рациональными характеристиками.
СВЧ-термия, микроволновое излучение, кинетика нагрева, агломераты, однородность, частицы муки нута.
N.V. Bekrenev, I.V. Zlobina, V.A. Kolomeytsev
IMPACT OF MICROWAVE RADIATION ON ORGANIC MATERIALS AND THEIR COMPOSITES UNDER HEAT TREATMENT
The pilot studies focused on the influence of heating organic materials composites, particularly organic micropowders, by means of microwave radiation compared to convection heating. The results showed that the properties of materials significantly increase under the influence of microwave radiation with rational characteristics.
Microwave thermie, microwave radiation, heating kinetics, agglomerates, uniformity, chick-pea flour particles
Одним из эффективных электротехнологических методов обработки различных материалов, в том числе диэлектрических, является использование электромагнитного микроволнового излучения сверхвысокой частоты (СВЧ). Большой вклад в развитие теории и практики СВЧ обработки материалов внесли Ю.С. Архангельский, В.А. Коломейцев, И.В. Лебедев, В.Т. Свиридов, С.Г. Калганова [1, 2]. При этом наряду с применением СВЧ - электротермии для сушки и сублимации, модифицирования структуры, низкотемпературной обработки материалов в машино- и приборостроении, а также
строительстве данный метод в последнее время успешно применяется для направленного воздействия на биологические объекты, например - в медицине для гипертермической обработки опухолей и других глубинных нарушений тканей [3,4]. В бытовых условиях данный метод используется преимущественно для размораживания и разогрева пищевых продуктов, а в промышленных условиях -для пастеризации продуктов, в частности - молока, и также разогрева крупных партий полуфабрикатов в предприятиях общественного питания (фаст-фуды и т.п.) [5, 6]. Однако, несмотря на достаточно широкое использование указанной технологии и значительный объем исследований, выполненных, в том числе в СГТУ имени Гагарина Ю.А. [7], существуют недостаточно изученные научно-практические аспекты применения СВЧ излучения при термической обработке сложных систем типа композиций из органических материалов, отличающихся крайней неоднородностью структуры, тепло- и электрофизических свойств и их распределением по объему изделия. Основной проблемой при термической обработке таких композиций является обеспечение равномерности нагрева для создания условий формирования однородной структуры, обладающей заданным комплексом потребительских свойств. Примером таких сложных композиций могут быть мясные рубленые изделия с добавками растительного происхождения, в частности муки нута. Компоненты таких материалов имеют существенно различные плотность, теплофизические свойства, а главное - различную диэлектрическую проницаемость, что оказывает основное влияние на выделение тепла при воздействии СВЧ излучения.
Нами проведены исследования влияния СВЧ излучения на пористо-агломерированную структуру композиций мясного фарша и муки нута [8]. Экспериментально установлено, что использование СВЧ нагрева с удельной мощностью 11,2 - 12,5 Вт/см3 и частотой 915 МГц ± 2,5% вместо конвективного нагрева приводит к уменьшению размеров элементов структуры на 9,2%, 24% и 60% соответственно при обработке контрольных образцов, образцов с заменой 5% мяса мукой нута и 20% хлеба мукой нута и снижает дисперсию размеров пор соответственно в 3,8 раза, на 25% и на 32% . При этом наблюдается уменьшение размеров пор при увеличении общей пористости изделия. При воздействии СВЧ излучения с удельной мощностью более 30 Вт/см3 происходит, напротив, повышение неоднородности структуры с образованием местных участков перегрева вблизи частиц нута.
В настоящей статье приводятся результаты исследования влияния метода термической обработки на муку нута, как растительную составляющую фаршевой композиции. Выделить однозначно в достаточном количестве частицы нута на срезах образцов после обжарки на сковороде и СВЧ термической обработки не удалось вследствие их распределения по объему, в том числе - внутри агломератов фарша. Поэтому были проведены эксперименты по термической обработке образцов, приготовленных из муки нута, на режимах, соответствующих реальным. Полученные пробы изучали на компьютерном анализаторе изображений микроструктур АГПМ-6М. Рассматривали исходную гидра-тированную муку нута, муку после обжарки на сковороде и муку после СВЧ обработки. При этом отдельно изучали верхнюю и нижнюю части проб с целью оценки равномерности термического воздействия.
СВЧ обработку производили на удельной мощности излучения Руд = (12,5-14) Вт/см3.
Внешний вид частиц муки нута в исходном состоянии и после термической обработки различными методами представлен на рис 1.
По результатам обработки микрофотографий в программе АГПМ-6М «Metallograf» можно заключить, что распределение размеров частиц исходного гидратированного нута и частиц, прошедших СВЧ обработку, близко к нормальному, в то время, как после обжарки на сковороде распределение размеров частиц практически невозможно описать каким-либо статистическим законом. При этом дисперсия размеров частиц после СВЧ обработки уменьшается с 21,39 мкм2 до 9,38 мкм2, т.е. - более, чем в 2 раза! Это может объяснить установленное нами ранее в [8] повышение однородности структуры образцов с добавлением муки нута после СВЧ обработки по сравнению с контрольным. Необходимо отметить увеличение размеров частиц по сравнению с исходными в среднем на 60%. Это может быть связано с одной стороны с уменьшением размеров исходных частиц вследствие термической дегидратации, а с другой стороны - слипанием этих уменьшенных частиц в агломераты.
Отсутствие сколько-нибудь явного стандартного закона распределения частиц по размерам при обжарке на сковороде, что может явиться причиной неоднородности структуры изделия, может быть объяснено следующим. Хаотичность отмеченного выше процесса слипания частиц в агломераты может быть причиной того, что определенный закон распределения частиц нута по размерам в этом случае не был выявлен. При этом агломераты, образовавшиеся после более длительного цикла обжарки (1 минута), имеют несколько большие размеры, что может быть связано с большим количеством входящих в их состав частиц при увеличении времени термического воздействия. Дисперсия размеров, хотя и меньше, чем исходных частиц: 12,69 мкм2 и 19,68 мкм2 при времени обработки 0,5 и 118
1 минута соответственно, тем не менее больше от 35% до 2 раз по сравнению с обработкой СВЧ излучением. Таким образом, СВЧ обработка муки нута обладает определенными преимуществами по сравнению с обжаркой на сковороде по параметрам сохранения исходного состояния частиц и большей однородности их размеров. Следует отметить, что увеличение времени обжарки на сковороде вызывает увеличение дисперсии размеров частиц нута.
Рис. 1. Распределение по размерам частиц нута (поле зрения - 460 мкм): исходный гидратированный порошок (а), после обработки на электрической плите в течение 0,5 мин (б), в СВЧ установке в течение 0,5 мин (в),
на электрической плите в течение 1 мин (г)
Изучение верхней и нижней поверхности образцов после СВЧ обработки и обжарки также показало существенное различие этих двух процессов, результаты которых представлены на рис. 2.
После СВЧ обработки как в течение 0,5 мин, так и в течение 1 мин верхняя и нижняя поверхности образцов практически не отличаются и характеризуются наличием отдельных связанных между собой частиц нута (рис. 2 а-г). При увеличении времени СВЧ воздействия отмечается некоторое снижение размеров частиц. Данные результаты подтверждают факт равномерности СВЧ термического воздействия по всему объему образца и, соответственно, наличие муки нута в составе фаршевой композиции не будет являться препятствием для равномерного СВЧ воздействия на все изделие при доведении его до кулинарной готовности при обработке на рациональной удельной мощности.
После обжарки на сковороде верхняя поверхность образца представляет собой отдельные частицы нута и их агломераты (рис. 2 д, ж). Нижняя поверхность образца имеет вид спекшейся массы, на которой невозможно выделить отдельные частицы (рис. 2 е, з). С увеличением времени обработки данная тенденция усиливается. Отмеченный факт объективно связан с особенностью технологии обжарки (конвективной обработки) на сковороде, как на газовой, так и на электрической плите: тепловой поток распространяется от поверхности сковороды (снизу) к верхней поверхности изделия. Таким образом, нижние слои оказываются под большим термическим воздействием и при определенных условиях деструктурируются. Это требует перемещения и переворачивания изделий с целью устранения неравномерности воздействия на них, что затрудняет в промышленных условиях автоматизацию процесса и снижает производительность. Следовательно, при введении муки нута в состав
фаршевой композиции при обжарке изделия на сковороде будет наблюдаться определенная неоднородность структуры и качества по его объему.
Рис. 2. Верхняя (а,в,д,ж)_и нижняя (б,г,е,з) поверхности образцов после СВЧ обработки в течение 0,5 мин (а,б), 1 мин (в,г) и после обжарки на сковороде на электрической плите в течение 0,5 мин (д,е), 1 мин (ж,з).
Поле зрения 460 мкм
Таким образом, исследования СВЧ обработки муки нута подтвердило, что данный метод обладает определенными преимуществами по сравнению с обжаркой на сковороде по параметрам сохранения исходного состояния частиц, что является одним из факторов повышенной однородности структуры и свойств всей композиции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ-электротермии: Справочник / Ю. С. Архангельский. Саратов: Изд-во «Научная книга», 2011. 560 с.
2. Архангельский Ю.С. Высокотемпературный нагрев диэлектриков с фазовыми переходами / Ю.С. Архангельский, К Н. Огурцов // Вестник СГТУ. № 2 (66), 2012. С. 34-37.
3. Elise C. Fear Enhancing Breast Tumor Detection with Near-Field Imaging / Elise C. Fear, Susan C. Hagness, Paul M. Meaney, Michal Okoniewski, Maria A. Stuchly // IEEE Microwave Journal magazine, v. 3, №1, march 2002. p. 48-56.
4. Fred Sterzer Microwave Medical Devices // IEEE Microwave Journal magazine, V. 3, №1, march 2002. P. 65-70.
5. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М.: Агро-промиздат, 1986. 361 с.
6. Michael Kachmar Microwave Heating: 50MW and Counting // Microwaves & RF. sept. 1992. p. 41-44.
7. Архангельский Ю.С. Сверхвысокочастотная электротехнология. Саратовская школа электротехнологов // Вестник СГТУ. № 4 (3), 2011. С. 5-15.
8. Злобина И.В. «Исследование влияния СВЧ - излучения на структуру мясных рубленых кулинарных изделий с добавлением муки нута» / И.В. Злобина, В.А. Коломейцев, В.А. Кошуро, Н.В. Бе-кренев // Вестник СГТУ. № 2 (75), 2014. С. 124-129.
Бекренев Николай Валерьевич -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техническая механика и детали машин» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Nikolai V. Bekrenev-
Dr.Sc., Professor
Head: Department of Technical Mechanics and Machine Parts,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Злобина Ирина Владимировна -
ассистент кафедры «Техническая механика и детали машин» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Irina V. Zlobina-
Assistant Lecturer
Department of Technical Mechanics
and Machine Parts,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Коломейцев Вячеслав Александрович -
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Vyatsheslav A. Kolomeytsev-
Dr. Sc., Professor
Department of Radioelectronics
and Telecommunications,
Yuri Gagarin State Technical University
of Saratov
Статья поступила в редакцию 19.11.14, принята к опубликованию 25.12.14
