Использование переменного тока для обработки пищевых продуктов

(22)

.

Из этого соотношения следует, что сопротивления Z, R и X образуют треугольник: Z – гипотенуза, R и X – катеты. Для удобства в этом треугольнике рассматривают угол φ, который определяют уравнением

(23)

φ = arctg((XL - XC) / R),

и называют углом сдвига фаз. С учетом него можно дать дополнительные связи

(23)

R = Z cos φ,

(24)

X = Z sin φ.

11.Мощности в цепях переменного тока

По аналогии с мощностью в цепях постоянного тока P = U I, в цепях переменного тока рассматривают мгновенную мощность p = u i. Для упрощения рассмотрим мгновенную мощность в каждом из элементов R, L и С отдельно.

Элемент R (резистор)

Зададим напряжение и ток в виде соотношений

u(t) = Um sin(ωt + ψu),

i(t) = Im sin(ωt + ψi).

Известно, что для резистора ψu = ψi, тогда для р получим

(25)

p(t) = u(t) i(t) = Um Im sin2(ωt + ψi).

Из уравнения (25) видно, что мгновенная мощность всегда больше нуля и изменяется во времени. В таких случаях принять рассматривать среднюю за период Т мощность

(26)

.

Если записать Um и Im через действующие значения U и I: , , то получим

(27)

P = U I.

По форме уравнение (27) совпадает с мощностью на постоянном токе. Величину Р равную произведению действующих значений тока и напряжения называют активной мощностью. Единицей ее измерения является Ватт (Вт).

Элемент L (индуктивность)

Известно, что в индуктивности соотношение фаз ψu = ψi + 90°. Для мгновенной мощности имеет

(28)

.

Усредняя уравнение (28) по времени за период Т получим

.

Для количественной оценки мощности в индуктивности используют величину QL равную максимальному значению рL

(29)

QL = (Um Im) / 2

и называют ее реактивной (индуктивной) мощностью. Единицей ее измерения выбрали ВАр (вольт-ампер реактивный). Уравнение (2.36) можно записать через действующие значения U и I и используя формулу UL = I XL получим

(29)

QL = I2 XL.

Элемент С (ёмкость)

Известно, что в емкости соотношение фаз ψu = ψi - 90°. Для мгновенной мощности получаем

pC(t) = u(t) I(t) = (Um Im) / 2 · sin(2ωt).

Среднее значение за период здесь также равно нулю. По аналогии с уравнением (29) вводят величину QC = I2 XC, которую называют реактивной (емкостной) мощностью. Единицей ее измерения также является ВАр.

Если в цепи присутствуют элементы R, L и С, то активная и реактивная мощности определяются уравнениями

(30)

P = U I cos φ,

(31)

Q = QL - QC,

(31)

Q = U I sin φ,

где φ – угол сдвига фаз

Вводят понятие полной мощности цепи

(32)

С учетом уравнений (2.37) и (2.39), (2.40) можно записать в виде

(33)

S = U I.

Единицей измерения полной мощности является ВА – вольт-ампер.

12.Обработка пищевых продуктов переменным электрическим током.

12.1 Общее положение.

Теплота является универсальным способом обработки  и консервирования пищевых продуктов.  И по сей день значительную долю своих энергетических  ресурсов человечество либо в промышленности, либо в домашних условиях затрачивает не тепловую обработку различный пищевых продуктов.

Существует множество способов и аппаратуры для осуществления тепловой обработки, причем  целесообразность использования того или иного метода требует комплексного подхода, учитывающего динамику изменения в процессе нагрева пищевой ценности и вкусовых качеств продукта, а также ряда технико-экономических показателей. Можно выделить два важных фактора тепловой обработки, определяющих в основном характер и степень изменения белков, практически независимо от способа подвода теплоты к объекту: продолжительность теплового воздействия  и температурный уровень, при котором продукт доводится до заданной степени готовности. Так, например, достижение мясным продуктом кулинарной готовности определяется совокупность результатов изменения двух групп белковых веществ: мышечных и соединительнотканных. Основная роль в развитии указанных явлений принадлежит денатурационным  превращениям белков, причем продолжительность процесса при одной и той же температуре различна.

Таким образом, решение вопросов оптимизации процессов тепловой обработки мяса, как и других пищевых продуктов, требуется глубокого изучения характера модификации отдельных белков при  различных условиях теплового воздействия, их влияния на биологическую ценность продуктов и их органолептические показатели с выяснением количественных  зависимостей. Приходится констатировать, что  энергетические аспекты денатурационных изменений при тепловой обработке мяса остаются практически мало изученной областью.

В пищевой промышленности тепловой обработке подвергаются миллионы тонн сырья, при этом потребляется огромное количество энергии, поэтому системный подход к ее использованию является задачей первостепенной важности.

12.2 Электрофизические свойства пищевых продуктов.

Особенностью всего комплекса электрофизических методов обработки пищевых продуктов является взаимодействие электромагнитного поля со структурой и веществом продукта. Основное внимание при этом уделяется таким электрофизическим характеристикам поля, как плотность тока проводимости δ, магнитная проницаемость μ, абсолютная диэлектрическая проницаемость ε, а также проводимость σ.

Еще одной важной характеристикой электрического поля является длина волны λ, связанная с частотой f следующим соотношением:

где с- скорость света в вакууме, с= 310-8   м/с; для воздуха ε ‘=μ’ =1

Пищевые продукты  необычайно сложны по составу и обширны по ассортименту. Среди них встречаются диэлектрики, проводники, электролиты, а также их композиции в различных сочетаниях, что препятствует разработке единого описания их электрических свойств. В постоянном электрическом поле заряженные частицы перемещаются вдоль силовых линий, а дипольные молекулы ориентируются в пространстве. С увеличением частоты электрического поля возникает общая тенденция к изменению электрофизических свойств, которые представляют собой функции, близкие к монотонным.

12.2.1. Измерение диэлектрических характеристик при переменном токе.

Мостовые методы. Эти методы измерения диэлектрических характеристик  материалов основаны на использовании различных модификаций хорошо известной схемы моста Уитстона. Измерения обычно проводят в интервале частот 1-10 МГц, что исключает поляризацию электронов, однако при этих частотах не следует пренебрегать ошибками, обусловленными паразитами или остаточными емкостями и индуктивностями.

Для измерения диэлектрической проницаемости диэлектриков с низкими потерями на частотах до 500 кГц наиболее широко применяется мост Шеринга, который обеспечивает высокую степень точности. Основной источник ошибок обусловлен остаточными емкостями и индуктивностями стандартных элементов моста, паразитами емкостями между самими элементами моста и между ними и землей. Поэтому необходимо тщательно экранировать элементы и заземлять экраны отдельных плеч моста и соединительные провода.

В результате разработки трансформаторного моста возник метод измерений импеданса, при котором удается избегать многих сложностей, присущих другим мостам переменного тока.

Резонансные методы. Схемы с использованием настраиваемых резонансных контуров LC, состоящих из элементов с сосредоточенным параметрами, применяются в диапазоне длин волн от 5 до нескольких сот метров.

Настройка контура на частоту питающего напряжения fпост производится при отключенной емкости измерительной ячейки с помощью переменной емкости С.

При этом собственная частота колебательного контура, определяемая формулой Томсона

f= 1/(2π√LС),

совпадает с частотой питающего напряжения

fпост= f = 1/(2π√LС).

Подключение емкости измерительной ячейки См приводит к возрастанию результирующей емкости до значения С+См и снижению собственной частоты колебательного контура

Для восстановления условия резонанса первоначальное значение переменной емкости С изменяют на величину См.

Диэлектрическую проницаемость ε и на тангенс угла потерь tgδ при диапазоне частот 50 кГц – 50 МГц для пищевых продуктов, обладающих хорошей добротностью, в большинстве случаев измеряют при помощи Q-метра, принцип работы которого основан на явлении резонанса.

12.3 Высокие частоты.

Продукты, обладающие высокой проводимостью (жиры, мука, кофе, солод, отруби, крахмал и др.), по своим электрофизическим свойствам (при небольшой массовой доле) можно  отнести к диэлектрикам с невысокими значениями диэлектрической проницаемости. Такие продукты, как мясо, рыба и другие, в замороженном состоянии   также можно отнести к этому классу. В то же время мясо, рыба и другие продукты, содержащие в своем составе большое количество влаги, при положительных температурах обладают низкой добротностью и соответственно большими значениями диэлектрических потерь.

Существует много источников диэлектрических потерь (      ), особенно для пищевых продуктов, содержащих воду в самых различных формах. Кроме того, приведенные на рисунке эффекты накладываются, одна форма связи плавно или скачком (фазовые переходы) переходит в другую. Таким образом, в ряде случаев выделение одного явления в чистом виде невозможно.

В области минусовых температур общий характер частотной зависимости сохраняется, хотя абсолютные величины диэлектрической проницаемости значительно ниже, а tgδ выше. Отличие диэлектрических свойств мясопродуктов в реальном процессе ведет к селективному характеру выделения энергии в материале.

Характеристикой является зависимость tgδ свиного жира от частоты (       ). Как известно, плавление фракций, составляющих свиной жир, начинается с 3-5 ºС и заканчивается при 65-67 ºС. При низких температурах жир имеет термодинамически неустойчивую кристаллизационную структуру, которая с увеличением температуры разрушается. При температурах 26-27 ºС свиной жир не обладает заметной текучестью, структурная сетка пронизывает весь объем. Этой температуре соответствует первый максимум на кривой

tg δ= f (t).

С повешением температуры кристаллизационная структура все более разрушается и при температурах 27-32 ºС жидкие фракции образуют сплошную дисперсионную среду с осколками кристаллизационной структуры – дисперсную фазу. В этой области значения tgδ близки к минимуму. При температурах 62-67 ºС осколки кристаллизационной структуры практически полностью исчезают, именно на  эту область приходится второй максимум функции tgδ (t). Реологические исследования подтверждают связь электрофизических и реологических свойств.

Для зерновых культур диэлектрические характеристики в диапазоне ИЧ незначительно зависят от частоты. Это объясняется  тем, что их можно отнести к диэлектрикам с малой сквозной проводимостью.

12.3.1 Производственный опыт проварки рыбы токами высокой частоты.

Обычно, при высокочастотном (ВЧ) нагреве пищевые продукты рассматривались как диэлектрики и поэтому обрабатывались в электрическом ВЧ поле. Между тем большинство  пищевых продуктов являются полупроводящими веществами с ионной активной проводимостью  в широком диапазоне частот. Это обстоятельство предопределяет целесообразность ВЧ нагрева продукта в переменном магнитном поле.

После обычной предварительной подготовки (дефростация, посол, стечка) поверхность рыбы подсушивалась инфракрасными лампами с одновременным обдувом комнатным воздухом (во избежание подпарки). Затем рыба подвергалась электростатическому копчению на горизонтальном конвейере. Для того, чтобы получить равномерный нагрев в индукторе, крайне важно было соблюдать определенную геометрию нагрузки. Нагрев свободно разложенной рыбы был неравномерным, кроме того, на острых выдающихся местах рыбы (хвост, плавники) возникали пробои. Поэтому рыба плотно укладывалась в прямоугольные деревянные ящики 60*60*10см примерно по 20кг и проваривались в индукторе за 6-10 мин. При к.п.д. установки 0,5 фактический расход электроэнергии составлял в среднем 0,35 квт. ч. на 1 кг готовой продукции.

На описанной установке было изготовлено в производственном порядке более 6 т рыбы горячего электрокопчения разных пород. Вся продукция получила сертификат 1 сорта. В дегустационных актах отмечалось, что приготовленная ВЧ проварка рыбы имеет хороший внешний вид, кожный покров ее сохраняется лучше, чем при обработке обычным способом. По консистенции рыба ВЧ нагрева была сочнее, мягче и нежнее по вкусу. Чем крупнее экземпляры рыбы, тем лучшего качества она получилась. Наиболее хороший результат давала ВЧ проварка красной рыбы.

Улучшение качества было связано с одновременным  повышением выходов. Специальным исследованием было установлено, что потери получаются тем меньше, чем быстрее достигается в теле рыбы температура 75-80º. Никакой из известных способов нагрева не позволяет для крупной рыбы получить такую скорость нагрева, как ВЧ. В зависимости  от сорта  и породы рыбы увеличение выхода составляло 5-12% от веса сырья. Между влажностью готового продукта обычного и ВЧ нагрева не было существенной разницы, поэтому уменьшение потерь представляло в данном случае действительную экономию питательных веществ. Потери белка при ВЧ нагреве оказалось в три  и более раза меньше, чем при обычной проварке на кострах. Кроме того, бульон, выделяющийся из рыбы при существенном способе обработки, пропадает безвозвратно, в то время как при электропроварке вытекающий  бульон собирается в ящиках и может быть в дальнейшем использован.