Исследование процесса избирательного нагрева зерна и насекомых в СВЧ-поле

В последнее время уделяется большое внимание контролю качества продовольственного сырья и пищевой продукции и одним из основных показателей качества является экологичность – отсутствие химикатов. Внедрение новых технологий, появление новых технологических линий, разработка новых типов машин приводит к новому взгляду на требования к продовольствию и новому качеству жизни.

С целью внедрения новых технологий, гарантирующих экологическую чистоту продовольственного сырья и пищевой продукции, нами поставлена задача разработки нового направления электротехнологии – технологического процесса избирательного нагрева, в основе которого заложены следующие параметры:

• -    высокая степень летального нагрева насекомых;

• -    простота исполнения и низкая стоимость технологической установки;

• -    использование установки в «Технологической линии получения высококлассных семян из неликвидного зернового материала».

В ходе предварительных исследований [1] была выявлена необходимость определения эффективности избирательного нагрева, летального для насекомых и безопасного для зерна.

Степень избирательности нагрева насекомых в зерне зависит от разницы преобразования электромагнитной энергии в тепловую и скорости теп- лопередачи от насекомых к зерну. Для более детального анализа следует особо рассмотреть оба варианта.

При нахождении насекомых внутри зерна выделение тепла происходит равномерно по объему насекомого и зерна, но с разными скоростями.

Физика процесса диэлектрических потерь определяется уравнением [2]

Р = 55,63fE²E • 10 " ¹² , (1) где f - частота электромагнитного поля; E - вектор напряженности электромагнитного поля; е₀ — диэлектрическая проницаемость воздуха (8,85440^-12 Ф/м); е = Е ‘ -;е" - относительная диэлектрическая проницаемость среды; Е ‘ - действительная часть диэлектрической проницаемости, представляет собой запас энергии, при воздействии на материал электрическим полем; е" - мнимая часть диэлектрической проницаемости, представляет собой поглощение и затухание электромагнитной энергии, по-другому еще называют тангенсом угла диэлектрических потерь; в свою очередь е" определяется уравнением [3]

‘‘ _‘‘ ст

Е Ест + Ed Ест + Е()Ы , где е^ - диэлектрическая проницаемость за счет вращения диполя; е^ - диэлектрическая проницаемость ионной проводимости; σ – ионная проводимость, См/м; ω – угловая частота, рад/с.

В диэлектрических материалах напряженность электрического поля убывает с расстоянием z от поверхности раздела двух сред и записывается уравнением [4]

Е = E o e ^-az .                                 (2)

Коэффициент затухания электромагнитной волны зависит от диэлектрических свойств материала и задается уравнением [4]

[/ I , ‘‘x 2

?= (J1 + (7) -1)]-(3)

где λ 0 – длина электромагнитной волны в воздухе.

Глубина проникновения СВЧ-энергии определяется уравнением [4]

dp =-----,     ,            -(4)

A 2

2”f I IJ1+t) -1I где С - скорость света в вакууме, С = 3-108, м/с.

Р = Рoе-az.(5)

После подстановки уравнения (2) в (1) полу-

уравнение энергетического баланса будет иметь

вид [5]

I

РнСрнК, $ =РнК, РзСрз ^ = Рз,

^— ^н^н ^— Т 3 ^);

где 5н - площадь теплоотдающей поверхности насекомого, м2; Xi - объем тела насекомого, м3;

С _рн — удельная теплоемкость насекомого, Дж/кг^°С; С _рз - удельная теплоемкость зерна, Дж/кг^°С; h - коэффициент теплообмена между насекомым и зерном, Вт/м²^°С; р_н - плотность насекомого, кг/м³; р з - плотность зерна, кг/м³; Р_н - удельная мощность ЭМ-излучения, поглощаемая насекомым, Вт/м³; Р з - удельная мощность ЭМ-излучения, поглощаемая зерном, Вт/м³;

t – время нагрева, с.

В результате решения системы уравнений (7)

получили уравнение разности температур между

чили уравнение, описывающее изменение мощности СВЧ-излучения, в зависимости от параметров электромагнитного поля и параметров материала, с учетом глубины проникновения и степени затухания электромагнитной волны в материале:

Р = 5,563/Eo2e-az • 10-12е". (6)

Если нагревать поток зерна толщиной большей глубины проникновения, то коэффициент затухания электромагнитной волны играет решающую роль. В нашем случае планируется нагревать зерно толщиной меньше глубины проникновения, в этом случае коэффициентом затухания пренебрегаем и считает, что величина вектора напряженности электрического поля одинакова по всей толщине слоя зерна.

В уравнении теплового баланса процесса нагрева необходимо учитывать передачу теплоты от одного тела к другому. Пренебрегая не значительной потерей тепла от зерна в окружающую среду,

зерном и насекомым [5]:

т

н

-

т =

з

^Р з / ⁷ "и _— Рн С р н \ (1 S_H^ £ з     ^р з С р з

-

-•

е

4^t

°Р н Ср н

')-    (8)

Данное уравнение подтверждает возможность создания процесса избирательного нагрева насекомых и зерна. На рис. 1 представлены зависимости

увеличение разности температур от увеличения диэлектрической проницаемости насекомых.

Из рис. 1 видно, что с увеличением диэлектрической проницаемости увеличивается разность между температурами насекомых и зерна. Так, например, для диэлектрической проницаемости Е‘‘н, равной 10, при времени нагрева 35 с разность температур составляет 5,5 °С, а при диэлектрической проницаемости Е‘‘н, равной 30, при времени нагрева 35 с разность температур составляет 20 °С.

Для анализа процесса нагрева введем величину, с помощью которой получим значение эффек-

Рис. 1. Графики зависимости разности температур насекомых и зерна от времени нагрева при различных значениях диэлектрической проницаемости насекомых

тивности избирательного нагрева. Критерий изби-

рательного диэлектрического нагрева насекомых и зерна с различными теплофизическими, диэлектрическими, биологическими и физическими па-

раметрами; с одинаковыми параметрами электромагнитного поля определится величиной

Э н = 5.                                 (9)

Необходимо стремиться к тому, чтобы мак-

симальное различие между температурами насекомого и зерна было за минимальное время, только

в этом случае величина Э_и . _н будет максимальной. После дифференцирования получили формулу

Э и . н

4^5,63/£ ‘‘ зЕ²^10^-12 ^^н Р н С р н

/ ^£‘‘ н __ ^р н С р н \

^Е з ^р з С р з

е

^ht

■ °Р н Ср н

На рис. 2 представлена зависимость критерия

избирательного нагрева для различных значений

диэлектрической проницаемости насекомых.

Как видно из рис. 2 при значении диэлектрической проницаемости насекомых г"н, равной 10, при длительности нагрева 35 с, критерий избира-

тельности нагрева в относительных единицах составляет 0,7, при значении диэлектрической проницаемости насекомых г"н, равной 30, при длительности нагрева 35 с, критерий избирательности нагрева в относительных единицах составляет 2,8. Данные показатели позволяют говорить о том, что с увеличением диэлектрической проницаемости насекомых эффективность избирательного нагрева увеличивается.

Таким образом, диэлектрические параметры клеток одной ткани, значительно отличаясь от диэлектрических параметров клеток другой ткани, будут иметь разное время разрушения.

Технологический процесс избирательного нагрева необходимо выполнить таким образом, чтобы нагреть внутренние органы насекомых до большей температуры (до разрушения клеточных

мембран), оставив при этом целыми клетки зерна (не разрушая клеточные мембраны зерна).

Для подтверждения представленной выше математической модели были проведены опыты по нагреву зерна, зараженного насекомыми. На рис. 3 представлены зависимости увеличения температуры зерна и вредителей от времени СВЧ-воздействия.

До СВЧ-воздействия зерна имели одинаковую температуру, равную 10 °С. Продолжительность нагревания ограничили 60 с. Чем продолжительней время нагрева, тем выше различия температур целых зерен и зерен, содержащих вредителей. Зерна, содержащие вредителей были разделены на 4 категории в зависимости от вида, содержащихся в них насекомых: амбарный долгоносик, рисовый долгоносик, зерновой точильщик, зерновая моль. Зависимость увеличения температуры целых зерна и зерен с вредителями от времени СВЧ-нагрева приведена на рис. 3.

Увеличение температуры более интенсивно идет у зерен с вредителями. Например, при времени нагрева 30 с температура целых зерен увеличилась на 17 °С, а для зерен, содержащих амбарного долгоносика – 22 °С, для зерен, содержащих рисового долгоносика – 23 °С, зернового точильщика и зерновую моль – 25 °С. При дальнейшем СВЧ-нагреве скорость изменения температуры целых зерен и зерен, содержащих вредителей, становится еще более различной. Так, при 60 с температура целых зерен увеличилась на 25 °С, зерна с амбарным долгоносиком – на 34 °С, зерна с рисовым долгоносиком– на 43 °С, зерна с зерновым точильщиком и зерновой молью – на 47 и 49 °С соответственно.

Результаты измерений обрабатывались в соответствии с методикой, изложенной в [6, 7]. Изменение температуры зерна с учетом разброса

Рис. 2. Зависимость избирательного нагрева от диэлектрических параметров насекомых и зерна

Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований зависимости увеличения температуры целых зерен и зерен с вредителями от времени СВЧ-воздействия: 1 – зерна с зерновой молью; 2 – зерна с зерновым точильщиком; 3 – зерна с рисовым долгоносиком; 4 – зерна с амбарным долгоносиком; 5 – целые зерна

параметров достоверное. Разброс значений температуры для целых зерен и зерен, содержащих вредителей не перекрывает друг друга, что позволяет говорить о достоверности результатов. Таким образом, получается, что целые зерна в меньшей степени нагреваются, а наибольшее изменение температуры присутствует у тех зерен, внутри которых содержатся вредители с большими диэлектрическими параметрами.

На основании этого факта подтверждается возможность избирательного нагрева зерна и вредителей для обеззараживания.

На рис. 4 приведены зависимости эффективности обеззараживания зерна от вредителей для разного времени СВЧ-нагрева. Чем продолжительнее время воздействия, тем выше эффективность обеззараживания. Время нагрева нельзя уве- личивать до бесконечности, оно имеет предел, который основывается на сохранении жизнеспособности зерна.

Данная зависимость показывает эффективность обеззараживания от времени СВЧ-нагрева. Например, для времени нагрева 30 с эффективность обеззараживания для зерен, содержащих зерновую моль равно 80 %, для зерен, содержащих амбарного и зернового долгоносиков – 55 и 50 % соответственно, для зерен, содержащих зернового точильщика – 40 %. При увеличении времени нагрева увеличивается и эффективность обеззараживания. Для времени 45 с эффективность обеззараживания для зерен, содержащих зерновую моль, равно 100 %, для зерен, содержащих амбарного и зернового долгоносиков – 95 %, для зерен, содержащих зернового точильщика – 90 %.

Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований зависимости эффективности уничтожения вредителей в зерне от времени СВЧ-нагрева: 1 – зерна с зерновой молью; 2 – зерна с зерновым точильщиком; 3 – зерна с рисовым долгоносиком;

4 – зерна с амбарным долгоносиком

На основании проведенных опытов можно говорить о том, что существует прямая зависимость между диэлектрическими параметрами насекомых, температурой нагрева и эффективностью обеззараживания.

Полученные экспериментальные данные подтверждают математическую модель. Разработанная модель позволяет разработать конструкцию и технологические параметры процесса избирательного нагрева для применения в технологической линии получения высококлассных семян из неликвидного зернового материала. Разработанная математическая модель может быть использована для разработки подобных технологических линий по обеззараживанию других продуктов питания или в медицине.

Наши работы проводятся по контракту «Разработка технологической линии получения высококлассных семян из неликвидного зернового материала», заключенного в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», организованной Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.