Особенности-микроволновой-сушки.Доступно-для

ОСОБЕННОСТИ МИКРОВОЛНОВОЙ СУШКИ
Одним из новых и перспективных направлений использования микроволновой
энергии является сушка продуктов и материалов. Отметим некоторые
особенности микроволновой сушки и ее преимущества перед другими
методами. Главное отличие от традиционных способов сушки заключается в
объемности нагрева. Тепло проникает в продукт не с поверхности, а образуется
сразу во всем объеме. Более того, поскольку поверхность продукта подвержена
охлаждению, за счет испарения, температура внутри продукта всегда несколько
выше, чем на поверхности. Это приводит к тому, что влага стремится выйти из
внутренних областей на поверхность. Этому способствует и давление пара
внутри продукта.
Микроволновое, или, иначе, сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение
представляет собой электромагнитные волны с частотой колебаний от 300МГц
до 30ГГц, что соответствует длине волны от 1м до 1мм. По своей физической
природе микроволны подобны другим видам электромагнитного излучения,
таким как: радиоволны, видимый свет, инфракрасное (тепловое),
ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Различие заключается
только в частоте колебаний электромагнитного поля, однако этот параметр, в
основном, и определяет внешние свойства электромагнитного излучения. По
шкале частот микроволны расположены между радиоволнами и тепловым
излучением, поэтому их свойства представляют нечто промежуточное между
этими видами излучения. Например, от радиоволн микроволны унаследовали
большую глубину проникновения в материал, чем у инфракрасного излучения.
В то же время, преобразование электромагнитной энергии в тепло при
микроволновом излучении гораздо эффективнее, чем при использовании
радиоволн.
Рассмотрим, более подробно, за счет чего происходит нагрев в СВЧ поле.
Прежде всего, заметим, что нагреву подвержены, в основном, полярные
диэлектрики, типичным представителем которых является вода. Полярная
молекула в электрическом поле стремится выстроиться таким образом, чтобы
вектор диполя был противоположен вектору внешнего поля, т.е. ведет себя
подобно стрелке компаса при воздействии на него магнитным полем. Поскольку
направление внешнего поля меняется с очень высокой частотой, полярная
молекула совершает огромное количество поворотов за короткое время. При
этом она постоянно сталкивается с соседними колеблющимися молекулами, в
результате чего кинетическая энергия движения молекул в диэлектрике, а
соответственно и его температура возрастают. На неполярные диэлектрики
электромагнитное поле действует слабо, причем это воздействие, как правило,
обусловлено наличием примеси.
Одним из новых и перспективных направлений использования микроволновой
энергии является сушка продуктов и материалов. Отметим некоторые
особенности микроволновой сушки и ее преимущества перед другими
методами. Главное отличие от традиционных способов сушки заключается в
объемности нагрева. Тепло проникает в продукт не с поверхности, а образуется
сразу во всем объеме. Более того, поскольку поверхность продукта подвержена
охлаждению, за счет испарения, температура внутри продукта всегда несколько
выше, чем на поверхности. Это приводит к тому, что влага стремится выйти из
внутренних областей на поверхность. Этому способствует и давление пара
внутри продукта.
Еще одной важной особенностью микроволновой сушки является ее высокая
эффективность. Необходимо заметить, что независимо от способа сушки, для
испарения каждой молекулы воды требуется затратить строго определенную
энергию. Величина этой энергии достаточно велика, поэтому искусственная
сушка продуктов процесс весьма энергоемкий. Можно выделить три основных
возможности для повышения эффективности сушильных установок, независимо
от конструкции и способа сушки:



Снижение непроизводительных затрат энергии.
Использование методов обезвоживания продукта, минуя процесс сушки.
Рекуперация (возврат) энергии.
Использование микроволновой энергии позволяет в полной мере реализовать
эти возможности. Рассмотрим каждую из них более подробно. По сравнению с
другими способами, микроволновая сушка обладает тем преимуществом, что у
нее отсутствует передачи тепла от нагревателя. Например, при использовании
конвекционной сушки, сначала, с помощью какого-либо нагревателя, требуется
нагреть воздух, затем передать тепло от нагретого воздуха продукту. На каждом
из этапов: нагрев воздуха, его транспортировка, передача тепла продукту,
происходят неизбежные потери тепла.
При микроволновой сушке источником тепла является сам продукт, поэтому
указанные выше потери отсутствуют. Фактически вся энергия, вырабатываемая
микроволновым генератором, поглощается в продукте. Поскольку к.п.д.
магнетронных генераторов достаточно высок (до 85%), то можно считать, что
около 80% потребляемой электроэнергии уходит на микроволновое испарение
влаги. В сушильных установках, производимых компанией «Ингредиент»
оставшиеся 20% также не теряются бесследно. Энергия, не преобразованная в
СВЧ излучение, выделяется на магнетронах в виде тепла, откуда с помощью
воздуховодов направляется на продукт, осуществляя его дополнительную
конвекционную сушку.
Как уже отмечалось, микроволновый нагрев имеет объемный характер. Более
того, температура внутри продукта даже несколько выше, чем на поверхности.
Поэтому, при сушке, образование пара происходит во всем объеме продукта.
Возникающее, при этом, внутреннее давление производит частичное
выдавливание влаги. При высокой влажности продукта (более 80%) за счет
указанного эффекта может быть удалена значительная часть влаги (до 30%).
Поскольку выдавленную влагу не требуется испарять, обезвоживание за счет
выдавливания происходит практически без затрат энергии, что значительно
повышает эффективность сушки. Попутно заметим, что выдавленная влага, сама
по себе является полезным продуктом и может быть реализована как товар.
Молекулы пара, вылетающие из продукта, уносят с собой большое количество
энергии, затраченной на их испарение.
В сушильных установках серии «Муссон» эта энергия утилизируется и затем
используется для конвективной досушки продукта. Это позволяет примерно на
20% повысить производительность установки, без дополнительных затрат
энергии. На частоте 2.45ГГц (рабочая частота магнетрона) электромагнитное
поле проникает внутрь продукта на несколько сантиметров со всех сторон. Это
позволяет сушить целиком продукты с поперечным сечением до 10см. При
традиционных способах сушки, требуется мелкая нарезка продукта, укладка его
тонким слоем и периодическое ворошение, поскольку поверхность продукта
высыхает быстрее и через некоторое время на ней образуется корка,
препятствующая дальнейшему выходу влаги.
Использование микроволн позволяет производить сушку продукта в вакууме.
Полезность такого сочетания обусловлена тем, что температура насыщенных
паров, а соответственно, и температура кипения воды зависят от давления, как
это
показано
на
рис.1.
Для качественной сушки пищевых продуктов, их температура не должна
превышать 70 град.С. Лекарственные травы и коренья сушатся при еще более
низкой температуре (40 град.С и ниже). При таких условиях в продукте
сохраняется большинство витаминов, а лекарственные растения не теряют
своих лечебных свойств. Когда требуется высушивать большое количество
продукта за относительно короткий период, необходимо повышать
интенсивность сушки. Для этого существует только один способ: подогрев с
принудительной вентиляцией. В обычных условиях, мощность, затрачиваемая
на эти цели, ограничена опасностью перегрева продукта.
Однако, при наличии соответствующего вакуума интенсивность сушки
практически ничем не ограничена, так как, при снижении давления снижается и
температура насыщенных паров. Например, если обеспечить давление, при
котором происходит процесс сушки, на уровне 104 Па (около 0.1 атм), то вода в
продукте начнет закипать и испаряться уже при температуре 45град.С. Причем,
пока в продукте будет присутствовать влага, его температура не превысит
температуру кипения, а подводимая мощность будет расходоваться не на нагрев
продукта, а на испарение влаги т.е. на сушку.
Сочетание микроволн и вакуума позволяет обеспечить высокое качество
продукта и еще по одной причине. Поскольку процесс сушки происходит очень
быстро и без доступа кислорода не происходит окисления продукта, поэтому
внешний вид сушеных продуктов практически не отличается от свежих.
Известно, что поглощение микроволновой энергии веществом пропорционально
величине диэлектрической проницаемости материала и тангенсу угла
диэлектрических потерь. В этом смысле вода, содержащаяся в продукте, и
которую требуется испарить, обладает уникально высокими параметрами. Ее
диэлектрическая проницаемость равна 81, в то время как у сухого продукта эта
величина не превышает 3. Диэлектрические потери в воде также значительно
выше. В результате, при микроволновом нагреве, наиболее сильное поглощение
энергии происходит в местах с максимальной влажностью. Это явление
приводит к автоматическому выравниванию влажности продукта по всему
объему и, в итоге, к равномерно высушенному конечному продукту.
Стерилизация в СВЧ. Кроме всего, микроволновое излучение обладает
стерилизующим действием в отношении стафилококков, кишечных палочек и
других микроорганизмов. Причина этого эффекта заключается в том, что
температура внутри продукта возрастает очень быстро, при одновременном
диэлектрическом нагреве протеинов микроорганизмов. Происходит, так
называемый, «тепловой удар», уничтожающий микроорганизмы. В качестве
иллюстрации, на рис.2 показано сравнение стерилизующего воздействия
обычного и микроволнового нагрева на возбудителей сенной лихорадки.
Каждая микроволновая печь содержит магнетрон, который преобразует электрическую энергию
в сверх-высокочастотное электрическое поле частотой 2450 Мегагерц (МГц) или 2,45 Гигагерц (ГГц),
которое и взаимодействует с молекулами воды в пище.
Это можно себе представить следующим образом: молекула воды, когда к ней приложено
электрическое поле, всегда стремится сориентировать себя вдоль поля, подобно тому, как стрелка
компаса стремится установиться вдоль магнитного поля Земли. Однако, в поле сверхвысокочастотной
электромагнитной волны направление электрического поля меняется с очень высокой частотой (более
миллиарда раз в секунду), и молекуле приходится постоянно вращаться.
Микроволны «бомбят» молекулы воды в пище, заставляя их вращаться с частотой в миллионы раз в
секунду, создавая молекулярное трение, которое и нагревает еду. Это трение наносит значительный
ущерб молекулам пищи, разрывая или деформируя их, создавая структурную изомерию.