Диэлектрическая сушка пищевых и непищевых продуктов
Диэлектрическая сушка – это способ обезвоживания материалов-диэлектриков, находящихся в электрическом поле, при котором влага удаляется за счет рассеиваемой энергии, затраченной на их нагрев.
Диэлектрическая сушка дает преимущества, когда высушиваемый материал не состоит из частиц (например, ткани) или представляет собой предметы с большим размером частиц (сантиметры или дециметры); другими словами, диэлектрическая сушка успешна, когда отношение поверхность/объем относительно невелико. Подвод тепла за счет конвекции, теплопроводности или инфракрасного излучения в этих случаях малоэффективен. Диэлектрический нагрев обладает уникальной способностью генерировать тепло внутри продукта. Диэлектрическая сушка использует электрическую сеть в качестве источника энергии, а диэлектрическое оборудование генерирует электромагнитные волны того же типа, что и телекоммуникационные системы. Поэтому и в некоторых западных странах ряд частот зарезервирован для диэлектрического нагрева.
Для того чтобы можно было использовать диэлектрический нагрев, должна быть возможность передать тепло высушиваемому материалу (т. е. материал должен быть восприимчивым). Это означает, что материал должен иметь промежуточную электропроводность между проводниками и изоляторами (т. е. он должен быть полупроводником). Полупроводники также называют диэлектрическими материалами. Связь электромагнитного поля с обрабатываемым материалом может происходить по двум механизмам: (1) дипольная ориентация и (2) ионная ориентация (т. е. резистивный нагрев). Молекула обладает диполем, когда центр положительного заряда не совпадает с центром отрицательного заряда. Хорошо известным примером этого является молекула воды. Молекулы, имеющие диполь, будут ориентироваться электромагнитным полем, и это движение будет, при трении с соседними молекулами выделяют тепло. Ионная ориентация заключается в воздействии переменного электрического поля на свободно перемещающиеся ионы. При микроволновой сушке ориентация диполей обычно более важна, чем ионная ориентация. Диэлектрики (например, стекло и тефлон) прозрачны для радиоволн и микроволн; проводники (например, из нержавеющей стали) отражают их, поэтому их можно использовать для направления микроволн.
Эффективность диэлектрических сушилок
Диэлектрическая сушка осуществляется с помощью электрической энергии. Если электрическая энергия (т. е. электричество) вырабатывается путем сжигания ископаемого топлива, КПД составляет примерно 40%. То есть 40% химической энергии, содержащейся в ископаемом топливе, преобразуется в электричество. КПД преобразования электрической энергии из сети в микроволны с частотой 9,15-108 Гц составляет примерно 90 %, а для микроволн с частотой 2,450409 Гц - примерно 70 %. Причина в том, что также происходит нагрев оборудования, и это тепло обычно уносится охлаждающей водой или охлаждающим воздухом. Эффективность приема электромагнитного излучения диэлектрическим материалом находится в пределах 80-90%. Во-первых, не все излучение принимается материалом, а во-вторых, часть энергии, принимаемой материалом, теряется за счет теплового излучения. Это означает, что общий КПД составляет всего от 25 до 30%. Это также означает, что диэлектрическая сушка не является экономичным вариантом для сыпучих материалов, но является полезным методом для специальных применений.
На килограмм испаряемой воды (удаленной влаги) при микроволновой сушке используется от 2 до 2,5 кВт*ч электроэнергии. Восемьдесят процентов диэлектрических сушилок используется для сушки текстиля, а 15 процентов – для сушки пищевых продуктов. Радиочастотный нагрев стал признанным и надежным методом сушки хлебобулочных изделий.
Микроволновая сушка
В микроволновой сушке используется нетрадиционное электрическое оборудование. После генерации с помощью магнетрона или клистрона (срок службы от 5 000 до 10 000 ч) микроволновая энергия транспортируется к аппликатору. Обычно для транспорта используются волноводы (однако возможен и коаксиальный кабель для малой мощности). Волновод представляет собой полый прямоугольный трубопровод из металла; размеры соответствуют характеру микроволн. Волноводы также можно использовать в качестве аппликаторов, например, при пропускании нитевидных материалов через поле в волноводе. В основном аппликатор состоит из металлического ящика с возможностью непрерывного и периодического действия. Важно, чтобы СВЧ-поле в нагрузке было однородным.
Применение микроволновой сушки
Первое применение — система сушки горячим воздухом в микроволновой печи для быстрой сушки макаронных изделий. Система сушки состоит из трех частей:
- обычная предварительная сушка горячим воздухом. Время выдержки здесь составляет 35 мин, а содержание влаги снижается с 30 до 18% по весу.
- сушка горячим воздухом с микроволновым разогревом. Дальнейшее снижение до 13-13,5% происходит примерно через 12 мин. Микроволновая система работает примерно при 30 кВт.
- стадия выравнивания для остановки высыхания и обеспечения температурных градиентов для выравнивания и охлаждения продукта. Этот этап длится примерно 1 час.
Обычная конвективная сушка макарон занимает 8 часов.
Второе применение микроволновых сушилок – сушка кускового сахара. Обычно кусковой сахар сушат в инфракрасных сушилках. Кристаллический сахар смешивают примерно с 1% по массе воды. Затем сахарные куски изготавливают с помощью вращающегося пресса. Энергозатраты при микроволновой сушке на 20-40 % меньше, чем при инфракрасной сушке, в то время как качество двух продуктов сопоставимо. Микроволновая сушка занимает меньше места, чем инфракрасная сушка.
Третье применение — мелкомасштабная сушка в псевдоожиженном слое влажного пористого керамического порошка.
Четвертое применение – это комбинированная контактная сушка и микроволновая сушка в вакууме для фармацевтических продуктов.
Продукт представляет собой гранулы, а испаряемая жидкость представляет собой спирт.
Повреждение продукта при микроволновой сушке
Сушка дерева и глины с помощью микроволн может привести к повреждению изделия. Это тот случай, когда пар, поднимающийся внутри материала, не может выйти наружу и происходит повышение давления. Это может привести к растрескиванию материала. Этого не происходит легко при сушке текстиля, так как он имеет открытую структуру. Известно о случаях обесцвечивания фармацевтического продукта при периодической комбинированной контактной сушке и микроволновой сушке. При непрямой сушке продукта без микроволн явление не возникает. Вероятным объяснением является то, что микроволны вызывают горячие точки в материале. Поэтому для производства высококачественных продуктов требуется применение щадящих технологий сушки.