Сельское хозяйство – 4.Технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции

Борисова Л.Ф., Калмыков Е.М.

Мурманский Государственный Технический Университет

Мурманск, Спортивная 13, 183010

Принципы построения электромагнитных генераторов пищевого коптильного дыма

Копчение – один из способов консервации рыбной, мясной и другой продукции. Производя такую продукцию, важно не только максимально увеличить сроки хранения товара, но и обеспечить безопасность его потребления в пищу. Основным фактором, оказывающим влияние на качество копчёной продукции, является используемый в производстве коптильный дым.

Современные дымогенераторы подразделяются на два основных типа — экзотермические и эндотермические. Экзотермические дымогенераторы используют энергию горения (тления) древесного топлива для осуществления процесса пиролиза древесных опилок. Главным преимуществом таких дымогенераторов являются низкие эксплуатационные расходы, однако процесс дымогенерации в этом случае является практически неуправляемым. Это ведёт к риску образования в дыме канцерогенных соединений из-за возможности возникновения в рабочей области дымогенератора открытого пламени.

Источником нагрева топлива в дымогенераторах эндотермического типа служит нагреватель с теплоносителем различных типов. Процесс дымогенерации легко поддаётся регулированию и практически исключает риск образования вредных для человека веществ. Недостатком является большое потребление электроэнергии и высокая температура дымовоздушной смеси на выходе из устройства из-за использования термоэлектрических нагревателей с низким коэффициентом преобразования электроэнергии в полезное тепло [1].

Эффективность эндотермических дымогенераторов можно повысить, если в качестве источников тепла использовать энергию электромагнитного поля. При этом возможны два различных подхода к реализации устройств преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию нагрева древесного сырья.

В первом подходе электромагнитное поле частотой 20-100 кГц разогревает индуцированными вихревыми токами металлическую камеру дымогенерации, содержащую древесные опилки. Дымогенератор, построенный на этом принципе, будем называть дымогенератором индукционного типа или индукционным (ИДГ).

Во втором подходе для непосредственного нагрева древесных опилок, содержащихся в камере генерации, используется энергия электромагнитных волн СВЧ-диапазона. Дымогенератор, построенный на этом принципе, будем называть СВЧ-дымогенератором (СВЧ-ДГ).

Разработке общих принципов построения генераторов пищевого коптильного дыма двух типов, использующих энергию электромагнитных полей, посвящена настоящая работа.

Дымогенератор индукционного типа. Известно, что электромагнитной индукцией называется явление возникновения электрического индукционного тока под действием магнитного поля в проводящем контуре, который либо покоится во внешнем переменном магнитном поле, либо движется во внешнем магнитном поле при условии, что число линий магнитной индукции, пронизывающих этот контур, меняется во времени [2]. Если контур представляет собой металлический проводник, то на нём выделяется энергия в виде тепла. Это свойство можно использовать при построении индукционного дымогенератора (рис. 1).

Рис 1. Обобщенная структура дымогенератора индукционного типа

Рабочая область дымогенератора (1) представляет собой цилиндрическую емкость с толстыми стенкам и толстым ровным дном, изготовленную из материала с выраженными ферромагнитными свойствами. Древесные опилки помещаются в камеру через дверцу (2). Они увлажняются системой подачи воды (3). С помощью источника электромагнитного поля (4), которым является плоско намотанная катушка индуктивности, в дне и стенках емкости (1) создается индукционный ток, нагревающий её. Емкость путем теплопередачи сообщает тепло содержимому рабочей зоны дымогенератора (увлажненным древесным опилкам). При достижении необходимой температуры топлива происходит процесс пиролиза древесных опилок. Полученный дым удаляется из рабочей зоны дымогенератора через вытяжку (5).

Основным преимуществом ИДГ является более высокий коэффициент преобразования электрической энергии в полезное тепло, чем у большинства эндотермических дымогенераторов, использующих электронагреватели. Обычные электронагреватели не могут обеспечить равномерный прогрев стенок камеры дымогенерации, поэтому температура пиролиза выше вблизи нагревательного элемента и понижается вглубь толщи опилок. Это часто приводит к неконтролируемому возгоранию опилок в поверхностных слоях и образованию канцерогенных и проканцерогенных соединений. В то время как индукционный ток обеспечивает постоянный равномерный нагрев стенок камеры дымогенерации и вследствие этого равномерное распределение температуры пиролиза по всему объему рабочей зоны в течение всего времени работы дымогенератора. В результате опилки прогреваются более равномерно, опасность возгорания существенно снижается, и качество дыма улучшается.

СВЧ-дымогенератор. Известно, что нагрев материалов, содержащих полярные молекулы, с помощью энергии СВЧ-волн основан на принципе «дипольного сдвига» [3]. Молекулярный дипольный сдвиг происходит под действием электромагнитного поля. Энергия электромагнитных колебаний поля приводит к постоянному сдвигу молекул, выстраиванию их согласно силовым линиям поля, что называется дипольным моментом. А так как поле переменное, то молекулы периодически меняют направление. Сдвигаясь, молекулы «раскачиваются», сталкиваются, ударяются друг о друга, передавая энергию соседним молекулам в этом материале. Так как температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии движения атомов или молекул в материале, то такое перемешивание молекул по определению увеличивает температуру материала.

Схема, описывающая работу СВЧ-ДГ, показана на рисунке 2. В камеру (1), представляющую собой изолированный снаружи металлический ящик, через дверцу (2) загружаются древесные опилки. Они увлажняются системой подачи воды (3). Волны СВЧ диапазона, создаваемые магнетроном (4) через волновод (5), осуществляют нагрев воды, содержащейся в топливе. Вода передаёт тепло опилкам, которые нагреваются до необходимой температуры пиролиза. Полученный дым через вытяжку (6) и металлический фильтр (7), необходимый для уменьшения утечки волн из камеры, изымается для дальнейшего использования. Изменение количества подаваемой энергии в единицу времени производится с помощью регулятора мощности магнетрона, который периодически включается и выключается. Чем больше длительность включённого состояния, по отношению к выключенному, тем больше излучённая мощность в единицу времени.

Рис. 2. Обобщенная схема СВЧ-дымогенератора

К достоинствам СВЧ-ДГ можно отнести высокую эффективность использования электрической энергии, т.к. вся она затрачивается на нагрев исходного сырья и получение дыма: в СВЧ-ДГ непосредственно нагреваются опилки, а не стенки камеры в которой находятся опилки. При этом проникающее свойство электромагнитных волн обеспечивает объемный, равномерный прогрев увлажненных древесных опилок, что способствует повышению коэффициента использования древесного сырья и увеличивает количество получаемого дыма высокого качества.

Заключение. Предложенные принципы построения дымогенераторов индукционного и СВЧ- типов позволяют существенно повысить производительность дымогенерации, снизить производственные издержки и обеспечивают получение коптильного дыма высокого качества. Подобные дымогенераторы могут найти широкое применение как в бытовых условиях, так и в промышленных установках для получения высококачественной коптильной продукции.

Литература:

1. Шокина, Ю.В. Дымогенераторная техника и технологии / Ю.В. Шокина, А.Ю. Обухов, А.А. Коробицин. - Мурманск: Изд-во МГТУ, 2010. 216 с., с.94.

2. Электромагнитная индукция [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.nvtc.ee/e-oppe/Baksejeva/elmagn/_1.html.

3. Микроволновая печь [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Микроволновая_печь.