Результаты экспериментальных исследований инфракрасной сушки сахаросодержащих корнеплодов

Химический состав этих корнеплодов определяет их исключительную ценность не только в обычном, но и диетическом питании. Биологическая активность содержащихся в них веществ при систематическом употреблении в пищу определяет их общеукрепляющее действие на организм как человека, так и животных [1].

Корнеплоды даже при соблюдении температурного режима теряют свои питательные свойства при хранении. Для использования данных продуктов в течение всего года и получения их максимальной эффективности целесообразно эти продукты высушить до влажности 10–12 % в режимах, не нарушающих их ценный химический состав.

Различные коллоидные капиллярно-пористые тела, к которым относятся и корнеплоды, обладают четко выраженной селективностью к поглощению ИК-излучения в диапазоне длин волн ИК-спектра. Поэтому источники излучения следует подбирать исходя из конкретных терморадиационных характеристик данного материала, с учетом конструктивных особенностей и энергетической характеристики аппарата.

Для определения спектральных терморадиационных характеристик корнеплодов был использован цифровой прибор, функциональная схема и общий вид которого приведены на рисунках 1, 2. Авторами получен патент РФ на изобретение данного прибора [3].

Рис. 1. Функциональная схема цифрового прибора: 1 – цифровой мультиметр; 2 – микротерморезистор типа МТ54; 3 – предохранитель; 4 – понижающий трансформатор; 5 – резистор сопротивления;

6 – конденсатор; 7 – реостат; 8 – диод; 9 – однофазный выпрямитель; 10 – интегральный стабилизатор напряжения; 11 – операционный усилитель сигнала

В основе методики по определению спектральных терморадиационных характеристик заложена идея измерения температуры на двух различных глубинах обрабатываемого материала.

Рис. 2. Общий вид цифрового прибора: 1 – полупроводниковый микротерморезистор типа МТ-54

В качестве чувствительного температурного элемента используется полупроводниковый микротерморезистор типа МТ-54. Постоянная времени нагрева этого микротерморезистора равна 500 мкс, поэтому измерение температуры можно производить в течение 2–3 секунд. Поскольку электронный усилитель имеет линейную характеристику, то показания приборов n и плотность потока проникающего излучения I х связаны следующей зависимостью:

I х = n·K,                                                    (1)

где K – постоянная прибора (при использовании данной методики можно принять K = 1).

Для проведения эксперимента очищенные корнеплоды с начальной влажностью нарезалась на кружки толщиной 2–3 мм, толщина слоя варьировалась от 5 до 30 мм с интервалом 5 мм.

Выполнив измерения в момент облучения испытуемого образца, можно определить коэффициент поглощения

• 2 , 3 ⋅ lq^{n 1}

А λ =            ^{n 2} ,                                             (2)

∆х где n1 – показания первого микроамперметра; n2 – показания второго микроамперметра; ∆х – толщина слоя материала, м.

Коэффициент пропускания можно определить по формуле

Т λ = n ² ⋅ 100% .                                  (3)

n ₁

Коэффициент отражения

R λ = 1 – (Т λ +А λ ).                                        (4)

Экспериментальные данные, измеренные цифровым прибором, представлены в таблице.

Экспериментальные данные, измеренные цифровым прибором

Толщина слоя, мм	Показания микроамперметров μА 1 и μА 2 и спектральный коэффициент пропускания для различных источников ИК-излучения
	Коротковолновый		Т, %	Средневолновый		Т, %
	μА 1	μА 2		μА 1	μА 2
Морковь
5	11000	6490	59	9700	3800	39
10	11000	5600	44	9700	2900	30
15	11000	3850	33	9700	2400	24
20	11000	3410	26	9700	1900	20
25	11000	2970	17	9700	1600	16
30	11000	2640	15	9700	1300	13

Опыты показали, что проницаемость корнеплодов при облучении коротковолновым ИК-излучением при толщине слоя 5 мм в 1,4–1,9 раза выше, чем при облучении средневолновым ИК-излучением. Однако и температура корнеплодов превышает предельно допустимую. При увеличении толщины слоя это различие сглаживается, и на глубинах 20–30 мм разница между проницаемостью “светлых” и “темных” ИК-излучателей составляет 5–10 % (рис. 3–5).

Следовательно, при выборе источника ИК-излучения предпочтение следует отдавать средневолновым источникам излучения, а толщина слоя не должна превышать 20 мм.

Рис. 3. Зависимость спектрального коэффициента пропускания корнеплодов моркови от толщины слоя и длины волны, измеренная цифровым прибором

Рис. 4. Зависимость спектрального коэффициента пропускания корнеплодов топинамбура от толщины слоя и длины волны

Рис. 5. Зависимость спектрального коэффициента пропускания корнеплодов свеклы от толщины слоя и длины волны

Для процессов сушки моркови, топинамбура и свеклы оптимальной принята область спектра от 2,8 мкм и более, так как в этом диапазоне наблюдается интенсивное поглощение энергии ИК-излучения, следовательно, для влагоудаления в процессах термообработки целесообразно использовать средневолновые ИК-излучатели.

К таким излучателям можно отнести импульсные керамические преобразователи излучения (рис. 6). По своим радиационным свойствам эти излучатели приближаются к абсолютно черному телу, у которого, как известно, степень излучения равна единице [2].

Источником первичного ИК-излучения в импульсных керамических преобразователях излучения является обычная нихромовая спираль. Спираль находится в трубке, изготовленной из чистого кварцевого стекла с многослойным функциональным керамическим покрытием.

Это покрытие обеспечивает преобразование полного спектра ИК-излучения от нагревательного элемента в излучение очень узкого диапазона ближней области ИК-спектра. При этом излучение происходит не в непрерывном режиме, а идет в виде ряда импульсов длительностью 10-3000 мкс.

Уникальным свойством данного рода излучателей является возможность очень точного селективного воздействия непосредственно на молекулярные связи в любых веществах в различных агрегатных состояниях.

Рис. 6. Импульсный керамический преобразователь излучения

Эффект импульсного преобразования связан с циклическими энергетическими превращениями, происходящими в системе.

Так как система имеет определенный исходный энергетический потенциал, то при прохождении электрического тока система поглощает энергию всего ИК-спектра, используя ее для активизации своей электронной структуры и повышения своего исходного энергетического состояния. При достижении уровня энергетического барьера (насыщения) система преодолевает его, и происходит импульсный выброс энергии, после которого система возвращается в исходное энергетическое состояние. Уровень энергии при этом соответствует излучаемому ИК-диапазону.

Благодаря высокой проникающей способности ИК-излучения достаточной мощности с соответствующей длиной волны, органические и биоорганические молекулы диссоциируют, микроорганизмы, споры, грибки, а также вирусы разрушаются и уничтожаются.

Эффект преобразования полного ИК-спектра в эффективное импульсное излучение ИК-спектра узкого диапазона – это частное проявление эффекта инфракрасного лазера.

Выводы . Проведенные исследования терморадиационных характеристик корнеплодов позволяют подобрать источник ИК-излучения, параметры которого согласуются с параметрами обрабатываемого материала. Импульсный керамический излучатель типа ECS-2 мощностью 500 Вт наиболее эффективно подходит для данной технологии.