Обработка пищевых продуктов ик-излучением

В настоящие время ИК-излучение широко применяется в различных отраслях пищевой промышленности.

Поток ИК-излучения взаимодействуя с продуктом преобразуется в тепло. Способность материала поглощать ИК-излучение зависят от двух основных факторов:

1) от длины волны которую можно изменять;

2) от оптических свойств обрабатываемого продукта;

Такая широкая возможность изменять интенсивность поглощения ИК-лучей в широких пределах определила большие возможности этого метода при обработке продуктов.

Теоретические основы нагрева и сушки ИК-лучами.

При нагреве и сушке влажных материалов ИК-лучами энергия излучения превращается в тепло. При этом явление тепло и массообмена протекают в двух направлениях

1) Вне обрабатываемого материала то есть в рабочей камере

2) Внутри продукта

Теория лучистого теплообмена в основном относится к внешнему теплообмену

Вопросы внутреннего теплообмена сложны и поэтому в основном все расчёты связаны с вопросами внешнего теплообмена

Вывод: что разработка теоретических основных прочесов связанных с Ик-излучение, должна базироваться на комплексном изучение вопросов протекающих в системе

Ик-излучение обнаружил У.Гершель. Ик-излучение отличается от других видов электромагнитных колебаний характеристиками:

1) Частота-n

2) Длина волны-l

3) Скорость распространения-v

Электромагнитное поле распространяется в пространстве перенося при этом определённое количество энергии. Поле излучается генератором излучения(источник) и поглощается объектом(продукт)

Электромагнитное излечение имеет двойственную каорпускулярно-волнлвую природу.

Электромагнитное поле обладает квантовыми характеристиками каждому виду поля соответствует частица называемая квантом

Квант поля – фотон.

Излучение и поглощение энергии атомами вещества происходит не непрерывно а отдельными порциями(дискретно), т.е квантами которые определяются из закона Планка.

где e - квант энергии;

n - частота излучения, сек^-1;

h – постоянная Планка, h =(6,625±0,002) 10^-34 Дж сек

При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомами вещества и передаёт свою энергию электрону, сам при этом исчезая.

Длинной волны(l) – называется расстояние между двумя ближайшими точками фазы колебаний, которые отличаются на p/2. Или это путь волны за время периода Т. Скорость распространения колебаний равна:

Существуют различные по своей природе источники излучения. Различают два типа излучения:

1) монохроматическое излучение(спектральное)

2) интегральное (полное)

Монохроматическим излучением - называется излучение определённой длинны волны и частоты (l=const, n=const).

Интегральным излучением называют суммарное излучение по всем длинам волн и частот (l от 0 до È).

В секторе электромагнитных волн ИК – излучение соответствует диапазону длин волн l от 0,76 до 750 мкм.

Этот диапазон условно разделяют на группы:

1. Длинноволновый 750 мкм – 25 мкм;

2. Средневолновый 25 мкм-2.5 мкм;

3. Коротковолновый 2.5-0,76 мкм.

Для технических целей верхний предел используемых длин волн можно ограничить lm 15 мкм, так как образующийся водяной пар имеет максимум поглощения инфракрасных лучей с длинной волны более 15 мкм

Если l>15 мкм излучение поглощается водой

2. Если l 15 мкм излучение проходит сквозь продукт

ИК-излучение можно характеризовать как колебательный процесс, в этом случае длина волны излучения связана с частотой и с периодом колебаний:

,

где с-скорость света, (с=300000 км/с).

В общем случае поток излучения Ф падающий на поверхность материала претерпевает ряд изменений. Одна часть отражаются Ф0, вторая часть поглощается материалом ФП, а третья часть это проникающее излучение Фпр, с уммарный поток:

Величины слагаемых входящих в уравнение зависят от следующих факторов:

1) от свойств обрабатываемого материала;

2) от параметров источника излучения.

Взаимодействие продукта с лучистым потоком падающим на него характеризуется рядом коэффициентов:

1) r- коэффициент отражения;

2) a- коэффициент поглощения;

3) t- коэффициент поглощения.

Коэффициент отражения r- отношение отражённого от поверхности продукта лучистого потока к полному потоку излучения:

Коэффициент поглощения a- отношение поглощенного поверхностью продукта лучистого потока к полному потоку излучения:

Коэффициент пропускания t- отношение пройденного через поверхностью продукта лучистого потока к полному потоку излучения

Подставляя полученные значения в формулу суммарного потока получим

Тело которое поглощает при любой температуре все падающие на него лучи называется - абсолютно чёрным (a=1, t=0, r=0).

Если тело отражает все падающие на него лучи (r=1 a=0 t=0) то оно называется зеркальным телом (если лучи отражённые от его поверхности подчиняются законам геометрической оптики) или абсолютно белым если рассеивание диффузное т.е лучи отражаются от поверхности тела и рассеиваются во всех направлениях.

Если тело пропускает все падающие на него лучи (t=1 r=0 a=0), то оно называется абсолютно прозрачным - диатермичным.

Серое тело - это такое тело поглощательная способность которого одинакова для всех частот и длин волн и зависит только от двух факторов:

1. от температуры тела;

2. от состояния поверхности.

Реальные тела не являются абсолютно черными, вместе с тем все продукты подвергаемые терморадиационных обработке (сушка, обжарка, выпечка) не являются и серыми телами. Для них характерна избирательность оптических характеристик в различных областях спектра. Для большинства пищевых продуктов которые относятся к малопрозрачным телам и к у которых проникающее излучение практически отсутствует уравнение суммарного потока имеет вид:

Большинство влажных пищевых продуктов обладает значительной поглощательной способностью, что определяется пористостью, наличием оксидных масляных плёнок, химическим составом и т.д.

В общем случае поглощательная способность тела зависит от химического состава поверхности и формы тела.

Степенью черноты e называется отношение интегральной излучательной способности данного тела к интегральной излучательной способности абсолютно чёрного тела при той же температуре.

Способностью полностью поглощать и излучать лучистый поток обладает абсолютно чёрное тело.

Общие выражения которые характеризуют зависимость излучательной способности абсолютно чёрного тела от длины волны l, частоты n и температуры Т, установлены Планком на основании предположения, что тела могут поглощать свет дискретно, т.е. в виде отдельных порций – квантов, энергия которых зависит от длины волны.

В свою очередь суммарная лучеиспускательная способность Е₀ связанна со спектральной лучеиспускательной способностью l_l абсолютно чёрного тела.

Закон Вина является следствием из закона Планка и устанавливает связь между длиной волны соответствующей максимальному значению спектральной интенсивности излучения (м) и абсолютной температурой тела Т (^оК).