View of Development of microwave technology of selective heating the components of heterogeneous media

УДК 663.252.3/255.3:579.647:57.013 DOI: 10.15587/1729-4061.2022.253329

Розробка мікрохвильової технології вибіркового нагріву компонентів гетерогенних середовищ

Б. О. Дем’янчук, Ш. Р. Гулієв, О. П. Угольніков, Ю. О. Клят, А. В. Косенко Обґрунтована актуальність вирішення технологічної проблеми гаранто- ваної інактивації мікрофлори нагрівом колоїдних середовищ та збереження їх корисних компонентів, зокрема, у виноматеріалах. Традиційна термічна обро- бка з нагрівом до температур 70…75 °С приводить до погіршення властивос- тей середовища внаслідок термічного розкладу його корисних компонентів.

Більш новою є технологія нагріву енергією мікрохвильового поля у робочій ка- мері. Але її суттєвим недоліком є утворення у металевій камері стоячих хвиль, які викликають локальні зони перегріву у місцях максимумів та недогріву у міс- цях мінімумів хвиль. Наслідком є погіршення хімічного складу продукції та не- задовільна інактивація мікрофлори.

Усунення цих недоліків мікрохвильової обробки середовищ пропонується здій- снювати у камері нерезонансного типу, що розроблена авторами. Вибірковий на- грів в новій камері здійснюється енергією рівномірного мікрохвильового поля. При цьому відсутні локальні перегріви та недогріви продукції. Технічна реалізації ка- мери нерезонансного типу передбачає концентрацію енергії поля в обсягу продук- ції, перетворення баластної енергії поля в теплову та її утилізацію.

Робота містить теоретичне обґрунтування та експериментальне підт- вердження переваг нової технології в порівнянні з традиційною. Вибірковий на- грів продукції в нерезонансній робочій камері має наслідком можливість зни- ження температури, що необхідна для гарантованої інактивації мікрофлори, на 25...30 °С. Це сприяє збереженню компонентів продукції через відсутність перегрівів та зниженню енерговитрат. Крім того, забезпечує: виключення шкідливого випромінювання із робочої камери; запобігання самоперегрівам ге- нератора та виключення залежності енергетичній ефективності камери від рівня її завантаження продукцією.

Ключові слова: гетерогенне середовище, мікрохвильовий нагрів, інактива- ція мікрофлори, нерезонансна камера, рівномірне електромагнітне поле.

1. Вступ

Розвиток наукового напряму розширення сфери застосування технології мікрохвильового інтенсивного нагріву гетерогенних діелектричних середовищ сприяє реалізації нових перспективних застосувань дії електромагнітного поля, які не завжди пов'язані з необхідністю сильного нагріву.

Мова йде, наприклад, про перспективу застосування передбачуваного, тоб- то рівномірного за об’ємом мікрохвильового нагріву під час застосування ін- ших, нових, перспективних технологій. Це можуть бути такі технології, як син- тез хімічно чистих сполук, стерилізація середовищ у щадному тепловому ре-

Not

a reprint

жимі, сорбція та розкладання речовин для їх дослідження, створення плазми під дією електромагнітного поля та ін.

З іншого боку, розвиток науки, вдосконалення систем мікрохвильового на- гріву вимагають розширення можливостей і поліпшення показників якості цих систем, шляхом комплексного застосування наукових основ електродинаміки, матеріалознавства і термодинаміки.

Переваги мікрохвильового нагріву перед іншими способами нагріву – ця пряма об'ємна дія, безінерційність, висока інтенсивність, контрольована, гнучка керованість процесу, екологічно чистий нагрів і незалежність від дефіцитних джерел енергії.

Ці бажані переваги раніше сприяли надії широкого застосування мікрох- вильових резонансних систем, перш за все у промисловому виробництві.

Проте, істотно більш високі, потенційні переваги таких широко розповсю- джених систем нагріву, нині не реалізуються через недосконалості цієї тради- ційної технології мікрохвильового нагріву в резонансній металевій камері.

Ось типовий перелік недосконалості традиційної технології мікрохвильо- вого нагріву в робочій камері резонансного типу:

– стоячі хвилі в об'ємі камери резонансного типу викликають локальні пе- регрівання діелектричних матеріалів в пучностях і недогріви у вузлах стоячої хвилі в цієї камері;

– поверхневі струми по стінках резонансної камери сприяють шкідливим випромінюванням з камери, які нерідко перевищують допустимі санітарні нор- ми. Ці випромінювання приводять до перегріву слизових оболонок людини та перешкоджають роботі радіотехнічного і електронного устаткування;

– через взаємний розлад власних резонансних частот камери і магнетрон- ного генератора при малому рівні завантаження камери, енергетична ефектив- ність систем нагріву зменшується на десятки відсотків;

– мікрохвильовий генератор, в умовах неузгодженого навантаження, не генерує номінальну вихідну потужність і перегрівається із-за «стоячих» хвиль в живлячому хвилеводі на відстані від генератора до робочої камери.

Існують традиційні технічні рішення (застосування в камері столу обер- тання, механізму обертання і підйому зразків, що нагріваються в камері, засто- сування дисектору, що коригує картину поля в камері). Ці рішення спрямовані на поліпшення рівномірності поля. Вони впливають на розподіл поля, яке на- гріває оброблюване середовище в камері резонансної системи, проте покращу- ють лише інтегральну рівномірність нагріву, але не усувають локальні нерів- номірності нагріву.

Такі нововведення сприяють збільшенню кількості варіантів локальної не- рівномірності, кількості вузлів і пучностей поля в одиниці об'єму камери і об- роблюваного середовища, проте, не нейтралізують резонансні властивості сис- теми. Отже, перераховані недоліки резонансних камер мікрохвильового нагріву при цьому практично не усуваються в камерах як побутового, так і промисло- вого призначення.

Як наслідок, існує необхідність розвитку теоретичних передумов, принци- пів нейтралізації резонансних властивостей цих систем, реалізації їх нових фу-

For

reading

only

нкцій і розробки нових перспективних камер мікрохвильового нагріву і вироб- ничого, і побутового призначення.

Саме тому нове вирішення науково-технологічного завдання гарантованої інактивації мікрофлори, шляхом вибіркового нагріву гетерогенних середовищ та збереження корисних компонентів цих середовищ, підкреслює актуальність теми дослідження.

2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми

В роботі [1] автори звертаються до фундаментальних досліджень, з метою теоретичного осмислення суті технології мікрохвильової дії на різні діелектри- чні середовища в різних застосуваннях та за допомогою камер різної конструк- ції. Процес мікрохвильового потужного нагріву діелектричних середовищ в наукових, виробничих і побутових умовах, разом з традиційними видами інтен- сивної теплової дії на середовища, широко застосовується більше півстоліття.

Ці публікації присвячені проблемам мікрохвильової обробки різної продукції, в умовах її інтенсивного нагріву.

Теоретичні передумови для досліджень у напрямку розробки технології лише теплової дії на рідки середовища для інактивації в них мікрофлори та під- вищення якості продукції були розроблені достатньо давно.

У роботі [2] закладені теоретичні передумови розробки технології саме те- плового нагріву виноматеріалів для інактивації в них мікрофлори та підвищен- ня якості продукції. Дослідження присвячене вирішенню технологічних про- блем виноробства, перш за все, мікробіологічної стабілізації винопродукції шляхом її термонагріву, розробці матеріалів і обладнання для теплової інакти- вації мікрофлори виноматеріалів.

Однак зараз, для підвищення біологічної стійкості продукції, наприклад, виноматеріалів (на термін до 12 і більше місяців), частіше здійснюють тепловій нагрів продукції в безперервному потоці при температурі від 65 °С до 75 °С.

Термічна обробка виноматеріалів до цієї високої температури супроводжується зміною їх хімічного складу, відбувається руйнування термолабільних, корисних для людини, компонентів цих матеріалів, потемніння забарвлення, зміна запаху і смаку, з'являється «хлібний присмак». Інтенсивність змін залежить від складу екстракту продукції, від рівня температури і тривалості її впливу під час нагрі- ву виноматеріалів.

В роботі [3] досліджується вплив нерівномірного за об’ємом продукції електромагнітного поля на клітини мікрофлори у традиційній камері резонанс- ного типу. Відмічається, що зазначене значне нагрівання продукції прискорює коагуляцію білків та інших колоїдів. Отже, проблема інактивації мікрофлори виноматеріалів при одночасному збереженні їх якісного складу є актуальною в сучасній біотехнології. Прийняття лише деяких заходів, що спрямовані на збе- реження смакових якостей продукції, є недостатнім.

В публікації [4] показано, що за допомогою традиційної технології мікрох- вильового нагріву різних діелектричних середовищ в металевій камері резонан- сного типу неможливо позбутися мінімумів та максимумів «стоячої» хвилі в камері, а саме, неконтрольованих локальних недогрівів та перегрівів продукції.

Not

a reprint

Саме тому неможливо гарантувати інактивацію мікрофлори у складі продукції в мінімумах нагріву та гарантувати відсутність втрати якості продукції в мак- симумах. Показано, що вирішення цієї технологічної задачі є можливим шля- хом розробки і застосування камер нерезонансного типу.

У роботі [5] відмічається, що в традиційних камерах здійснюється достат- ня інактивації, але лише завдяки вирівнюванню температури в рідини за раху- нок теплопередачі, шляхом нагрівання її до традиційних 70 °С. Відмічається, що при цієї температурі складно забезпечити збереження корисних термолабі- льних компонентів рідких середовищ. Тому запропоновано здійснення більш якісної інактивації мікрофлори рідких середовищ в потоці крізь камеру хвиле- водного, але нерезонансного, типу, де відсутня стояча хвиля.

У роботі [6] досліджується застосування мікрохвильового випромінювання з частотою 915 МГц для пастеризації розфасованих у пакети кубиків моркви.

Експерименти проводились при температурі нагріву 90 °С у двох режимах, тривалістю 3 та 10 хвилин. Порівняння з результатами обробки сировини гаря- чою водою показало, що в обох випадках досягається еквівалентна мікробна безпека, але мікрохвильова обробка значно скорочує загальний час обробки та покращує однорідність продукту. Комп’ютерний аналіз виявив неоднорідність температурного поля у зразку: холодна зона у центрі і підвищення температури при наближенні до поверхні. Автори не згадують жодних спроб зменшення цієї нерівномірності та її вплив на якість продукту.

У статті [7] розглядається застосування технології мікрохвильової обробки для пастеризації томатного пюре при температурі 96±2 °С у напівпромисловій мікрохвильовій печі неперервної дії. Дослідження проводились при низькій ін- тенсивності випромінювання протягом більшого часу або при високій інтенси- вності протягом меншого часу. Результати впливу опромінювання на якість продукції порівнювалась з результатами звичайної термообробки. Відмічене, що в усіх випадках відбувається зниження якості продукту, але опромінювання високої інтенсивності (1900…3150 Вт) протягом короткого часу (150…180 с) дає найкращі результати и скорочує час обробки у порівнянні зі стандартним процесом пастеризації.

У статті [8] були отримані схожі результати. Автори використовували комбінований метод пастеризації, що полягав у попередньому мікрохвильовому нагріві виноградного соку і подальшій його термічної обробці. За даними стат- ті, мікрохвильовий підігрів сировини зменшує нерівномірність температурного поля та час пастеризації і підвищує якість кінцевого продукту. Дослідження не- рівномірності поля мікрохвильового випромінювання внаслідок виникнення стоячих хвиль не проводилось.

У статті [9] наведені та порівняні результати обробки зелених бобів під ви- соким тиском та їх термічна пастеризація за допомогою мікрохвиль. Контролю- вались такі показники, як кількість бактерій Listeria innocua, вміст хлорофілу, вміст вітаміну С, рН та інші. Знайдено, що по всіх показниках мікрохвильова пастеризація є більш ефективною у порівнянні з обробкою під високим тиском.

Робота [10] присвячена порівнянню результатів обробки соусу песто, який виготовлено з свіжих бобів квасолі, за допомогою мікрохвильової та традицій-

For

reading

only

ної термічної технологій. Контроль якості проводився на протязі 20 діб після обробки. Він показав, що за показниками мікробної забрудненості обидві мето- ди дають однаково задовільний результат. За показниками збереження смаку, поживності та товарного вигляду мікрохвильова обробка переважає традиційну термічну пастеризацію.

Автори [11] провели експериментальні дослідження впливу метода пасте- ризації на якість яблучного соку. Використовувались дві технології: звичайна термічна та мікрохвильова. Був зроблений висновок, що сік, пастеризований з використанням мікрохвильової технології, має кращі смакові та поживні якості і потребує менше часу.

У статті [12] розглянуто вплив складу, частоти та температури на власти- вості знежиреного сухого молока. Були виявлені неоднорідності температурно- го поля, величина яких залежить від форми контейнеру для молока. Вплив не- однорідності на якість кінцевого продукту не досліджувався.

У роботі [13] приділяється увага дослідженню нерівномірності температу- рного поля у зразку, який піддається мікрохвильовому нагріву. Мікрохвильо- вому опромінюванню піддавалися зразки геланового гелю кубоїдної форми у вертикальній та горизонтальній орієнтації. Експерименти показали, що верти- кальна орієнтація зразка сприяє більш повному поглинанню мікрохвильової енергії, а горизонтальна орієнтація – створенню більш рівномірного температу- рного поля. Як наслідок, вертикальна орієнтація зразка сприяє більшій енерго- ефективності, а горизонтальна орієнтація – підвищує якість обробки та трива- лість зберігання готової продукції.

У статті [14] розглядається застосування короткохвильового радіовипромі- нювання для обробки різноманітних харчових продуктів. Відмічається, що при застосуванні радіохвиль не виникає проблема інтерференції хвиль, у той час як при використанні мікрохвильового випромінювання інтерференція виникає, що приводить до появи холодних та гарячих зон у продукції, що обробляється.

Огляд публікацій показує, що питання виникнення та нейтралізації шкід- ливого впливу стоячих хвиль в об’ємі камери, яка завантажується продукцією для мікрохвильової обробки, зараз на практиці надійно не вирішені як теорети- чно, так і на практиці. Вплив цього явища на якість та терміни зберігання про- дукції, як правило, не досліджується.

Невирішеною зараз є наступна багатогранна проблема, яку доцільно сфор- мулювати в наступному вигляді. Доцільно враховувати і використовувати сут- тєві відмінності між електрофізичними параметрами корисних компонентів та мікрофлори у складі типового гетерогенного середовища, що обробляється в мікрохвильовому полі. Для гарантованого збереження корисних компонентів продукції та гарантованого знищення мікрофлори доцільно створити робочу мікрохвильову камеру без «стоячих» хвиль.

Удосконалення існуючих камер резонансного типу доцільним є, напри- клад, на основі реалізації їх нових функції, а саме: концентрації поля в обсязі продукції; перетворення баластної енергії поля; утилізації цієї енергії.

Далі необхідно оцінити теоретично та експериментально ефективність но- вої мікрохвильової технології вибіркового нагріву, та порівняти її з відомими

Not

a reprint

результатами, наприклад, теплової обробки. Крім того, доцільно порівняти ене- ргетичні та екологічні характеристики нерезонансних та резонансних камер.

3. Мета та задачі дослідження

Метою дослідження є розробка мікрохвильової технології вибіркового на- гріву компонентів середовища, які відрізняються параметрами електропровід- ності та діелектричної проникності, на основі створення робочої камери нере- зонансного типу. Це дасть можливість гарантованої інактивації мікрофлори ко- лоїдних рідин при більш низькій (на 30 °С) температурі та гарантувати збере- ження корисних речовин рідини.

Завдання, виконання яких забезпечує досягнення мети:

– визначити фактори дії мікрохвильового випромінювання на компоненти гетерогенного колоїдного середовища під час його нагріву;

– побудувати модель самоналагоджувального мікрохвильового обладнання нерезонансного типу з рівномірним за обсягом електромагнітним полем;

– побудувати функціональну схему самоналагоджувального мікрохвильо- вого обладнання нерезонансного типу з рівномірним за обсягом електромагніт- ним полем в робочій камери;

– визначити екологічні, енергетичні та технологічні характеристики проце- су мікрохвильового вибіркового нагріву компонентів гетерогенних середовищ.

4. Матеріали та методи досліджень

Об’єкт дослідження – технологічний процес нагріву за допомогою енергії електромагнітного поля діелектричних гетерогенних середовищ в обсягу мета- левої робочої камери.

Гіпотеза дослідження полягає в можливості реалізації передбаченого вибі- рковий нагріву гетерогенного середовища, а саме, досягнення гарантованої ін- активації мікрофлори у складі продукції з одночасним гарантованим збережен- ням корисних для людини компонентів продукції. Для цього необхідно:

– врахувати особливості дії електромагнітних полів на компоненти середо- вища, зокрема, більш інтенсивного нагріву за часом тих компонентів, які мають більшу електропровідність та діелектричну проникність;

– змінити структуру поля в камері, з метою усунення «стоячих» хвиль в камері, шляхом зміни конструкції існуючих робочих камер.

Це сприятиме роботі магнетронного генератора в режимі «біжучої» хвилі та забезпеченню більш якісних характеристик процесу, а, саме: екологічності, енергоефективності, та надійності апаратури.

В дослідженні припускається, що полімерні оболонка та мембрана цито- плазми клітин мікрофлори, на відміну від самої її цитоплазми, завжди є, по- перше, радіопрозорими, по-друге, мають низький рівень теплопровідності. Са- ме тому ці особливості сприяють: по-перше, проникненню поля в електропро- відну цитоплазму та її потужному нагріву; по-друге, заважають теплообміну між цитоплазмою і продукцією, що приведе до вибіркового нагріву.

Спрощення, прийняте в дослідженні, полягає в тому, що перетворювач, тобто поглинач, баластної енергії поля в теплову, який поряд з концентратором поля в

For

reading

only

обсязі продукту є потрібним для отримання в камері «біжучої» хвилі, має високий рівень (10 дБ/мм) коефіцієнта проходження поля в поглинач енергії.

При виконанні дослідження застосовувались як розрахунково-теоретичні, так і експериментальні методи. Розрахункові методи використовувались для обґрунтування твердження про більш інтенсивну інактивацію мікрофлори у рі- дкому середовищі в мікрохвильовій камері нерезонансного типу порівняно з традиційною термічною. Експериментальна частина дослідження полягала у розробці, проектуванні та створенні лабораторного устаткування для проведен- ня мікрохвильового нагріву досвідних зразків різних видів в модернізованих камерах нерезонансного типу.

В якості досвідних зразків були обрані: для камер цикличної дії – дистильована вода у фторопластовому стандартному сосуді; для камер дії поля на рідинне середовище в потоці – виноматеріал в трубчатій кварцевій камері.

Саме ці зразки мають найбільш низький рівень (10^-14 См/м) питомої електроп- ровідності тари, що запобігає крайовим перегрівам продукту. Вони мають дос- татньо вивчені властивості, зберігають результати обробки та є широко розпо- всюдженими в практиці.

Результати експериментів порівнювались із результатами нагріву тих же самих зразків середовищ у традиційній камері резонансного типу.

Випробування створеного зразка, з метою прийняття до експлуатації були проведені, згідно до Наказу Мінагропрому України, на державному підприємс- тві «Одесавинпром», м. Одеса, Україна.

5. Результати досліджень процесу мікрохвильового нагріву гетероген- них середовищ

5. 1. Визначення факторів дії мікрохвильового поля під час нагріву ге- терогенних колоїдних середовищ

Для кількісної оцінки результатів мікрохвильового вибіркового нагріву за допомогою рівномірно інтенсивного поля у середовищі, необхідно врахувати наступний фактор.

Позначимо через Р_К густину потужності поля, що перетворюється в мате- ріалі клітин мікроорганізмів у теплову. Відповідно, питому густину потужності, що дисипує в середовищі, позначимо через РС.

Тоді у довільній точці об’єму виноматеріалу у нерезонансній камері без стоячих хвиль ці значення густини потужності дорівнюють

2,

K K K

P   Е (1)

2

C C C,

P   Е (2)

де σ – питома електропровідність компонентів гетерогенного середовища (наприклад, клітин і виноматеріалу), См/м;

Е – електрична напруженість електромагнітного поля, В/м.

Not

a reprint

Рівняння термоелектродинамічного балансу для компонентів суміші клі- тин мікрофлори і рідкої продукції в середовищі, що обробляється, відповідно мають вигляд

2 ^K ,

K ЕK cK K

t

       



2 ^C ,

C ЕC cC C

t

       

 (3)

де с – питома теплоємність кожного з компонентів середовища, Дж/кг·K;

ρ – масова густина кожного з компонентів, кг/м³;

Δθ_С, ΔθK – підвищення температури рідкої продукції середовища, яке під- дається обробці, і клітин мікрофлори за рахунок їх нагріву під впливом елект- ромагнітних коливань, К;

Δt – тривалість часу експозиції (або імпульсу) електромагнітного випромі- нювання, с.

На підставі рівності електричних індукцій поля у компонентах середо- вища, що піддається обробці, відповідно до законів теорії поля, завжди спра- ведлива рівність

K ЕK C ЕC,

     (4)

де ε – параметр (діелектрична проникність), що характеризує ступінь по- ляризуемости компонента середовища під дією електромагнітного поля.

Можна вважати, що в умовах короткоімпульсного електромагнітного поля теплообмін між компонентами середовища, що обробляється, відсутній. Тоді рів- няння (3), (4) дають можливість знайти показник Fо, який є відношенням очікува- ного підвищення температури матеріалу клітин мікроорганізмів до підвищення температури виноматеріалів за час Δt. Це відношення температур має вигляд

2 : 2 ,

K K C

C K K K C C C

F o

c c

   

 

          (5)

де Fо – параметр вибірковості мікрохвильового нагріву, що характеризує рівень підвищення ефективності мікрохвильової пастеризації у мікрохвильовій камері нової конструкції з електромагнітним полем рівномірної інтенсивності в обсязі середовища.

З виразів (1), (2) і (4) можна визначити відношення об’ємних густин поту- жності надвисокочастотного поля, яка перетворюється в теплоту в клітинах мі- крофлори і в продукції, що піддається обробці. Це відношення залежить лише від значень питомої електропровідності компонентів і від величин їх діелектри- чної проникності. Кількісна оцінка рівня цього відношення, наприклад, для ви- номатеріалів, має величину

2

2 2 .5 .

K K C

C C K

P P

 

  

  (6)

For

reading

only

Кількісна оцінка рівня відношення приросту ΔθK температури, яке може бути створено в матеріалі клітин мікроорганізмів, до приросту температури Δθ_С, наприклад, у виноматеріалі, що піддається обробці, згідно (3) з урахуван- ням (6), дає величину

2

2 2 .3 .

K K C C C

C C K K K

c c

    

  

     (7)

Необхідно ще раз підкреслити, що такі співвідношення справедливі ли- ше за умови створення в робочій камері рівномірного за об’ємом електрома- гнітного поля.

У камері з рівномірно розподіленим полем завжди діють наступні основні чинники ефективного бактерицидного мікрохвильового впливу поля на компо- ненти середовища, що обробляється:

– практично миттєве проникнення електромагнітної хвилі вглиб оброблю- ваної продукції в усьому її об’ємі;

– вільне проникнення поля через полімерну (радіопрозору для мікрохви- льового випромінювання) мембрану клітин мікрофлори;

– більш інтенсивний нагрів цитоплазми клітини, у порівнянні з середовищем виноматеріалу, через значні відмінностей в їх рівнях питомої електропровідності;

– низька теплопровідність мембрани, що перешкоджає вільному теплооб- міну між більш нагрітої цитоплазмою клітини мікрофлори і менш нагрітим рі- дким середовищем, яке обробляється. Це спричиняє зростання різниці темпе- ратур цитоплазми клітини і середовища, що обробляється;

– одночасний і однаковий вплив енергії поля на всі без винятку мікроор- ганізми в оброблюваному середовищі в умовах поля, рівномірно розподіленого в об’ємі середовища.

У камері традиційної конструкції, внаслідок виникнення стоячій хвилі, в мінімумах електромагнітного поля інактивація мікрофлори не гарантована, а в максимумах поля можливі некеровані і неконтрольовані перегріви оброблюва- ної продукції.

В умовах же впливу на оброблювану продукцію точно керованого по ін- тенсивності поля слід також відмітити, що вплив мікрохвильового випроміню- вання на компоненти гетерогенного середовища, що піддається обробці, не є руйнуючим, а лише термічним.

Для обґрунтування твердження про виключно теплову дію мікрохвильово- го поля доцільно порівняти енергії квантів мікрохвильового, інфрачервоного та ультрафіолетового діапазонів з енергією зв’язку молекул. Результати порівня- льних оцінок енергії кванта хвилі зазначених діапазонів і енергії зв'язку моле- кул продукції, що обробляється, представлені на рис. 1.

Not

a reprint

Рис. 1. Порівняльні оцінки енергії зв’язку молекул середовища, що обробляєть- ся, і енергії квантів полів різних діапазонів електромагнітних хвиль При цьому встановлено, що:

1) енергія кванта мікрохвильового випромінювання з довжиною хвилі λ=12,2 см в 43 000 разів менша, ніж енергія зв'язку найменш термостійких мо- лекул середовища виноматеріалу. При цьому можливий лише тепловий вплив поля, тобто руйнування молекул оброблюваного середовища або поява нових хімічних сполук при обробці виноматеріалів неможливі;

2) енергія кванта випромінювання хвиль інфрачервоного діапазону в 1 400 разів менша, ніж енергія зв'язку найменш термостійких молекул середовища виноматеріалу. При цьому також можливий лише тепловий вплив поля, і руй- нування молекул середовища, що піддається обробці також не відбувається;

3) енергія кванта ультрафіолетового випромінювання (в бактерицидній ча- стини цього діапазону хвиль) порівнянна з енергією зв'язку молекул середови- ща. При цьому можливе руйнування молекул оброблюваного середовища, тому використання цього випромінювання з метою пастеризації є неприпустимим.

5. 2. Функціональна схема обладнання з рівномірним за обсягом про- дукції мікрохвильовим полем

Вказані фактори стали підставою для створення обладнання, що викорис- товує хвилі мікрохвильового діапазону (з дозволеною для промислового засто- сування довжиною хвилі, що дорівнює 12,2 см). Були створені дві установки:

лабораторний варіант циклічної дії та дослідно-промисловий варіант установки для обробки продукції у потоці. В цьому обладнанні реалізується рівномірний за обсягом вплив електромагнітного поля.

Енергія звязку молекул

Енергія квантів МХ

випр. х10⁵

Енергія квантів ІЧ випр. х10³

Енергія квантів УФ

випр.

0 1 2 3 4 5 6 7

Е, еВ

For

reading

only

Функціональна схема нового мікрохвильового обладнання, яке є, по суті, самоналагоджувальним, представлена на рис. 2 [4].

Рис. 2. Функціональна схема нерезонансної установки для вибіркового мікрох- вильового нагріву гетерогенних середовищ

На рис. 2 позначено: ro – подовжній розмір середовища, яке нагрівається; r – глибина проникнення електромагнітного поля в середовище; s₀ – площа попе- речного перерізу середовища, яке оброблюється; s – площа поперечного перері- зу променю поля в середовище.

Створений дослідно-промисловий варіант установки малої продуктивності передбачає мікрохвильову обробку виноматеріалу у потоці. Схема модернізо- ваної установки циклічної дії надана на рис. 3.

На рис. 3 позначено: 1 – робоча камера; 2 – концентратор електромагнітної енергії; 3 – хвилевод; 4 – магнетронний генератор; 5 – вентилятор; 6 – гетеро- генне середовище; 7 – композитний перетворювач енергії поля в теплову; 8 – пластини утилізації баластної енергії; 9 – світлосигнальний індикатор і блок управління.

У цьому устаткуванні були реалізовані наступні нові функції мікрохвильо- вого обладнання для інактивації мікрофлори виноматеріалів:

– концентрація енергії в об’ємі середовища, що обробляється;

– перетворення електромагнітної баластної енергії в теплову за допомогою керамічної плитки та феритового наповнювача метакаолинової основи;

генератор

перетворювач балас- тної ЕМ-енергії в

теплову камера концентратор

діелектричне сере- довище з втратами

так r – rо > 0 s – sо > 0 хвилевід

блок утилізації ні

Not

a reprint

– утилізація баластної теплової енергії за допомогою обдуву мідних плас- тин в метакаолині;

– забезпечення електромагнітної безпеки та енергетичної ефективності процесу за допомогою мікрохвильової камери нерезонансного типу.

3 2

1 4 5

6

7 8

9

Рис. 3. Модернізована камера циклічної дії для мікрохвильового вибіркового нагріву гетерогенних середовищ

5. 3. Визначення екологічних, енергетичних та технологічних характе- ристик процесу мікрохвильового вибіркового нагріву компонентів гетеро- генних середовищ

Густина потоку потужності випромінювання з такої камери у навколишнє середовище є значно нижчим за рівень, який є встановленим згідно санітарних норм [4]. Важливо підкреслити, що рівень густини потоку потужності ps

(мкВт/см²) випромінювання із немодернізованих камер від маси m (заванта- ження камер) перевищував санітарні припустимі норми в 5…10 разів.

На рис. 4 наведені експериментальні залежності рівня густини потоку по- тужності ps (мкВт/см²) з модернізованих камер від маси m завантаження камер мікрохвильового нагріву, нормованої номінальним рівнем маси m0 їх заванта- ження. Ці рівні густини отримані в результаті випробувань модернізованих ка- мер та вимірювання густини потоку випромінювання електромагнітного поля із робочої модернізованої камери. Мікрохвильові камери, що досліджувалися до і після модернізації, належать вказаним виробникам цього обладнання.

Вимірювання рівнів шкідливих випромінювань, а саме, густини потоку по- тужностей, тобто модуля вектора Умова-Пойнтинга, зроблені в оточенні зорового вікна та щілин шлюзів завантаження модернізованих типових камер циклічної дії.

For

reading

only

Рис. 4. Експериментальні значення густини потужності потоку випромінювання з модернізованих типових камер різних виробників при різних степенях заван- таження мікрохвильової камери: 1 – КОР-6105 (Корея); 2 – Дніпрянка-1 (Украї-

на); 3 – SMC E70-TFA (Японія); 4 – Delonghi (Італія)

Результати, в залежності від рівня маси дистильованої води, шо нормова- ний номінальним її рівнем, отримані на відстані від корпусу камер, яке дорів- нює 50 мм, за допомогою стандартизованого приладу потоку потужності П-20.

З наданих на рис. 4 результатів вимірювання шкідливих випромінювань із нерезонансних камер витікає, що ці рівні є близькими до нульового рівня, тобто задовольняють навіть найбільш жорстким вимогам країн світу.

Експериментальні дослідження, що проведені авторами роботи, показують також, що енергетичний коефіцієнт корисної дії (к. к. д.) модернізованих камер циклічної дії перевищує к. к. д. подібних немодернізованих камер на 15…30 %.

Ці результати отримані шляхом ретельних вимірювань і порівняння ре- зультатів нагріву стандартних зразків дистильованої води в мікрохвильових ка- мерах чотирьох виробників різних країн світу: Японії; Італії; Кореї; України.

Результати вимірювання визначались шляхом експериментального визна- чення відношення рівня енергії, яка втрачена на нагрів зразка в камері, до рівня енергії, яку було виміряно лічильником. Крізь цей лічильник живлення було завжди подане на мікрохвильову камеру. Це багаторазово повторювалося при різних рівнях завантаження камер до і після модернізації цих камер.

Методика саме вимірювань параметрів обробки дистильованої води в ре- жимі циклічної дії визначаються на основі типового алгоритму для циклічних процесів нагріву продукту в тарі. Температура нагріву води в камері вимірюва- лась за допомогою спиртового термометра ТУ 25-11-899 1986 р. при зануренні в воду всієї його нижньої частини. Енергія Е_с, що витрачена на нагрів середо-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

p_s, мкВт/см²

m / m₀

1 2 3

Not

a reprint

вища, і часткове (для одного нагріву) к. к. д., К, з врахуванням повної витраче- ної енергії Е розраховувалися по формулам:

Е_с=с‧ ρ‧ v‧ Δθ; К=Е_с/Е.

де с – питома теплоємність дистильованої води, Дж/кг·K;

ρ – масова густина дистильованої води, кг/м³;

Δθ – підвищення температури рідкої продукції середовища в порівнянні з температурою перед початком нагріву, град K.

Збільшення к. к. д., ΔК, з врахуванням результатів осереднення по всім n нагрівам різного рівня загрузки для однієї мікрохвильової камери конкретного виробника визначалася по результуючій формулі

ΔК=Σi{[(Ес/Е)iм–(Ес/Е)iнм]/(Ес/Е)iнм}/n.

Саме ця величина збільшення к. к. д. для камери різних виробників коли- валася під час досліджень на рівні від +0,15 до +0,30. Окремі вимірювання по- казували, особливо при малих рівнях завантаження, навіть +0,40. Це поясню- ється тим, що за умов малих рівнів завантаження розташування спектра її резо- нансних частот не співпадає з розташуванням спектра частот магнетронного генератора. Тому його сигнали не попадають в камеру, віддзеркалюються від входу в камеру, створюють «стоячу» хвилю в живлючому хвильоводі і перегрі- вають сам генератор. В той час як для нерезонансної камери цей ефект ніколи не спостерігається.

Авторами створена і запатентована також установка мікрохвильового ви- біркового нагріву з метою мікробіальної стабілізації рідинних середовищ в по- тоці [5]. Функціональну схему установки з рівномірним полем в обсязі хвиле- водної робочій камері надано на рис. 5.

На схемі (рис. 5) позначено: 1 – блок рекуперації; 2 – блок гідрокомутації;

3 – блок заправки продукту; 4 – блок зливання продукту; 5 – блок управління процесом стабілізації; 6 – блок вироблення живлячих напруг; 7 – блок генеру- вання електромагнітних коливань; 8 – хвилевідна камера з трубчатим діелект- ричним каналом; 9 – поглинач баластної електромагнітної енергії з каналом утилізації; 10 – теплообмінник з рідинним каналом додаткового нагріву проду- кту і каналом продукту; 11 – насос подачі продукту; 12 – регулювач рівня про- дукту; 13 – насос рідинного охолодження генератора.

Штриховані стрілки (рис. 5) позначають канали подачі продукту, який об- робляється з метою мікробіальної стабілізації, не штриховані – канали подачі рідинного теплоносія, що відбирає теплову енергію від генератора (блок 7) і поглинача (9) та передає її продукту в теплообміннику (10). Прості стрілки поз- начають канали подачі: електричних сигналів управління; живлячої напруги;

електромагнітного поля.

Дослідно-промисловий варіант цієї установки, пристрою, показано на рис. 6.

Цей пристрій призначено для мікробіальної стабілізації виноматеріалів у потоці.

For

reading

only

12 3

5 2

6

7

13 8

9 1

11 4

10

Рис. 5. Функціональна схема мікрохвильової установки, пристрою вибіркового нагріву рідинних середовищ в потоці з метою їх стабілізації

Рис. 6. Мікрохвильова установка для інактивації мікрофлори виноматеріалів в потоці [5]

Робота пристрою починається за сигналами від блока управління (5). Сиг- нали спочатку подаються на блок заправки продукту (3), блок вироблення жив- лячих напруг (6) і блок гідрокомутації (2). Продукт подається крізь блок запра- вки (3) на блок рекуперації (1). Після заповнення обсягу рекуператора (1) регу- лятор (12) рівня продукту припинає подачу продукту крізь блок заправки (3).

Насос (11) подачі продукту прокачує продукт спочатку по замкнутому колу: з МИКРОВОЛНОВЫЙ ИНАКТИВАТОР МИКРОФЛОРЫ

ЖИДКИХ СРЕД ТЕХНОЛОГИЯ:

• сохранение полезных комп.

продукции ;

• уменьшение затрат энергии на 50 %;

• увеличение производительности на 50%;

• обеспечение экологичности процесса;

• автоматизация производства;

Not

a reprint