Расчет температуры жидких пищевых продуктов в микроволновой электродинамической системе Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

613.28:621.365

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ 3 МИКРОВОЛНОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

В.А. МАТИСОН

Московский технологический институт пищевой промышленности

При пастеризации и стерилизации жидких пищевых продуктов повышение эффективности процесса достигается применением микроволновых технологических устройств, обеспечивающих повышение производительности при одновременном улучшении качества 1П.

Для осуществления пастеризации и стерилизации жидких продуктов и сред разработано сверхвысокочастотное устройство (рис. 1), спроектированное на основе прямоугольного волновода, в котором в области наибольшей величины напряженности электрической составляющей поля расположен набор диэлектрических труб, по которым протекает обрабатываемая жидкость [2]. Система позволяет осуществлять последовательное протекание жидкости в диэлектрических трубах и соеди-

нение их как в прямоточном или противоточном, так и в смешанном режимах.

Основными факторами, используемыми при расчете технологических режимов пастеризации, являются температура обработки, длительность воздействия, темп нагрева, качественный и количественный состав микрофлоры [3].

Таким образом, при конструировании оборудования необходимо обеспечить такое распределение температуры и время обработки стерилизуемого продукта, которое позволило бы уничтожить имеющуюся в нем микрофлору.

"Для разработанной электродинамической сверхвысокочастотной системы, в которой имеется несколько диэлектрических труб, изменение температуры жидкости, протекающей в одной диэлектрической трубе, значительно меньше увеличения температуры от входа до выхода системы. Кроме того, использование рекуператора позволяет подавать на вход микроволнового устройства предварительно подогретую жидкость, что снижает необходимый диапазон нагрева с помощью сверхвысокочастотной энергии и уменьшает общие энергозатраты.

Эксперименты на мелассовых растворах, используемых в дрожжевом производстве, показали, что при количестве диэлектрических труб 3—6 изменение температуры среды в одной трубе при СВЧ-нагреве не превышает д Т = 20 К.

В этом интервале температур изменения плотности, удельной теплоемкости мелассового раствора составляют 0,8—1,2%, незначительны также отклонения коэффициента затухания. В дальнейшем расчете эти параметры для жидкого продукта в одной диэлектрическои трубе СВ*/-устройства считались постоянными и определялись по средней температуре между входом и выходом.

Величина коэффициента теплоотдачи принималась постоянной для всей системы, равной среднему значению из полученных экспериментальных данных.

В режиме прямотока скорость жидкости и направление потока СВЧ-энергии, определяемого действительной частью вектора Умова—Пойтинга, совпадают. В результате аналитического исследования процесса СВУ-нагрева объема жидкости толщиной аг внутри диэлектрической трубы получили дифференциальное уравнение теплового баланса:

*й‘

4

лй

\Jpcd Т = а ^^-Ру е~2аге1г - улё(Т - ТСру1г,

где

и

ё —внутренний диаметр диэлектрической трубы, м;

средняя скорость жидкости в трубе, м/с;

р — плотность жидкого пищевого продукта, кг/м ; с —удельная теплоемкость продукта, Дж/(кгК);

Т — средняя температура жидкости в . элементе шириной ёг, К; а — коэффициент затухания,м' ;

Ру — удельная СВУ-мощность на входе диэлектрической трубы, Вт/м ; г — длина СВЧ-системы, м; у — коэффициент теплоотдачи;

Тср — температура окружающей среды, К.

После преобразования приведенного выражения в линейное дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными,

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 5-6, 1993

77

его решения и нахождения постоянной интегрирования получили зависимость температуры на-•рева протекающей в диэлектрической трубе жидкости от г:

_ I*. _ + тСр I - -

й1)рС

с — г йОрс

аг1 ирс — 2;

Лаг

где

Тн — температура жидкости на входе диэлектрической трубы,- К. Используя функцию температуры, вычислили выражение для Длины волновода с максимальной температурой жидкого продукта на выходе:

гг

йирс

- й у - и Ире —

ь

X 1п г-=-

ЦТН- ТсруаЦрс — - у)

+ 1

Дифференциальное уравнение для режима противотока выразится:

’—ПрЫ Т = а ~~РУ е~?^1 ~ ^йг -

- улё(Т - Тсру1г, где I — длина волновода, м.

После преобразований, решения уравнения и нахождения постоянной интегрирования получили:

Т -

■Тн

(Ш(н.

+ Тс

ср.

\

I -

Шрд

"1о, +-\ж аРуй_____ \е V аЧ}Рс) - \ _

* аЛйрс * Ь

Аналогично предыдущему решению определили' длину системы, при которой температура на выходе максимальна, используя условие гТмакс - I

{

й.'

2у{Тн - Тср)

Р,4

Анализ выведенных функций проводили для стерилизатора мелассовых растворов, работающего на частоте 2375 МГц, для различных величин удельной СВУ-мощности. Использовали экспери-

ментальные данные по электрофизическим и теплофизическим характеристикам мелассовых растворов в диапазоне температур 293—353 К. Построены графики изменения температуры раствора от длины волновода в режиме прямотока (рис. 2) и противотока (рис. 3) для стерилизатора производительностью 0,3 М‘ /ч, имеющего электродинамическую систему е Тремя диэлектрическими трубами внутренним Диаметром 0,021 м, при начальной температуре на входе трубы 328 К и различной удельной мощности Р», Вт/м : кривые / - 7,35-104; 2 - 14,7-104; 3 — 22-10*= 4 -29,4-10 В — 44-10 .

Используя полученные температурно-временные хара^еристики, можно рассчитать леталь-

Рис 2.

Рис 3.

ность режима стерилизации мелассовых растворов.

Таким образом, получены математические зависимости изменения температуры жидких продуктов в сверхвысокочастотной электродинамической системе, необходимые при расчете режимов стерилизации и пастеризации.

Используя температурные зависимости, вывели выражения для рациональной длины электродинамической системы, на основе которой рассчитываются конструктивные параметры СВЧ-пастеризатора.

На примере нагрева мелассовых растворов рассчитаны температуры раствора при различной

удельной СВУ-мощности в режимах прямоток: противотока.

ЛИТЕРАТУРА

3.

N i о 1 a I. IL riscaldamento a microonde ne! settore alimentare // Ind. Alimentari. — 1990. — 29. — 335— 338.

Матисон В. А. Особенности конструкции микроволновых пастеризаторов жидких пищевых сред / Тез. докл. 6-й Всесоюз. науч.-техн. конф. «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья». — М.: 1989. — С. 370.

Матисон В. А. О методике расчета режимов пастеризации соков и напитков в электромагнитном поле СВЧ / Тез. докл. YI Всесоюз. совещания по электрической обработке материалов. — Кишинев: 1990. — С. 147.

Кафедра электротехники, электроники и электропривода

Поступила 03.07.91

Ю.И.

Украй

В

I

НИЯ І ТОВ jj

флус^

ПрИВ;

ресці

роли]

Ц1

тралі

руюц

так

ралы разлі луче) юще] го ц моло И< моле! фото диап ИСТ'

ДКе

ронн

грен;

НИИ»

оцегі

norpj

ресц

и:

дани1

ВЫД(

Флу

кис;

при

волн

—■3]

303-

289

белк

опре

амиї

роди

пы т

памі

(при