Конспект лекций для студентов направления подготовки 15. 04. 02 Технологические машины и оборудование
 Скачать 1.61 Mb.
|
|
3 ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ 3.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В различных областях науки и техники широко распространены процессы с применением высоковольтной ионизации. Это такие процессы как: электроочистка газов, электростатическое эмалирование, электрокопчение, электросепарирование и др. Все эти процессы объединяются общностью применяемого метода. Сущность этого метода заключается в том, что ионизированный газ, перемещаясь в электрическом поле, сообщает заряд тонкодисперсным частицам вещества (пыль, краска, коптильный дым и др.), при этом частицы так же совершают упорядоченное направленное движение от одного электрода к другому. На основании этого явления был создан ряд технологических процессов в пищевой промышленности. Ионизации газов можно достигнуть двумя путями: несамостоятельной ионизацией, которая возникает в том случае, когда пространство между электродами подвергают воздействию внешнего источника (рентгеновские лучи, коротковолновая радиация, ультрафиолетовое излучение, высокие температуры и др.). При отключении внешнего источника процесс ионизации прекращается и образовавшиеся ионы противоположного заряда рекомбинируют, т.е., соединяясь один с другим, образуют нейтральные молекулы газа. Этот вид ионизации в технологических процессах не получил распространения; самостоятельной ионизацией, возникающей в результате повышения напряжения в цепи до некоторой определенной величины, при которой заряженные частицы, разгоняясь в электрическом поле и сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их. В этом случае электрическая прочность газа нарушается, и в газе в результате ударной ионизации устанавливается самостоятельный разряд, существующий без внешних побудителей. Напряженность в равномерном поле, при которой происходит пробой газа, определяет его электрическую прочность. Для равномерного поля максимальную напряженность (Е, кВ/см) определяют из уравнения: Е = U / d, (3.1) где U- напряжение, приложенное к электродам, кВ; d- расстояние между электродами, см. Для сравнения можно взять формулу для расчета максимальной напряженности в неравномерном электрическом поле, образованном цилиндром радиусом (r, см) и плоскостью: Е = 0,9 U / 2,3 r lg ((r + d) / r). (3.2) 28 При прочих равных условиях максимальная напряженность электрического поля тем выше, чем меньше радиус кривизны электрода. Однако при малых расстояниях между электродами, характеризуемых отношением (r/d), влияние радиуса кривизны уменьшается. В случае неоднородного электрического поля явление разряда весьма сложно. При повышении напряжения в месте максимальной напряженности поля возникает и развивается ионизация газа и устанавливается коронный разряд. Разрядные напряжения зависят от расстояния между электродами, формы электрического поля, длительности воздействия напряжения, полярно- сти электродов, влажности, давления газа и др. Большое влияние на разрядное напряжение оказывает концентрация и состав взвесей, содержащихся в газах. Так, высокая концентрация электропроводящих включений резко снижает его электрическую прочность. В неравномерных электрических полях максимальная напряженность возникает у электрода с меньшим радиусом кривизны, причем газ в этом участке теряет свою электрическую прочность - возникает коронный разряд. Область, непосредственно прилегающую к разряду, называют короной, а электрод - коронирующим. При небольших напряжениях коронный разряд представляет собой сумму электронно-лавинных импульсов малой продолжительности - 10 -11 с. При более высоких напряжениях корона состоит из каналов газоразрядной плазмы, обрывающейся в участках пониженной напряженности поля. Для практического использования, например при электроочистке газов, применяют отрицательную корону, так как допускается использование более высокого напряжения. Минимальная разность потенциалов (U, кВ), при которой возникает корона, для концентрической системы электродов рассчитывается. 3.2 ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ В настоящее время принцип коронного разряда широко используют для электростатической очистки газов. Принципиальная схема трубчатого электрофильтра, состоящего из корпуса (электрод осаждения) и подвешенного на изоляторе коронирующего электрода, выполненного в виде тонкой проволоки с грузилом, приведена на рисунке 3.1. Образованное таким электродом поле носит резко выраженный неравномерный характер, что приводит к возникновению короны на электроде 2. Запыленный газ поступает в нижнюю часть аппарата через патрубок 4. Попадая в зону короны, незначительная часть пыли оседает на ней, подавляющая же часть взвеси приобретает отрицательный заряд и двигается в сторону «осадительного» (положительного) электрода. Осаждаясь на электроде 3, частички отдают ему свой заряд. Осевшая на стенках пыль собирается в нижней части аппарата и периодически удаляется, а очищенный газ выводится через патрубок. Трубчатые электрофильтры, как правило, делают многосекционными. Для этого процесса особенно важной является проводимость самой пыли; так, при низкой ее проводимости на электроде осаждения может 29 образовываться большой пористый слой пыли. Во-первых, его необходимо удалять, для чего требуются специальные средства (увлажнение, встряхивание и др.), а во-вторых, он может вызвать появление обратной короны с образованием положительных ионов, что в конечном итоге приведет к рекомбинации отрицательных и положительных ионов; при этом очистка прекратится. Рисунок 3.1 – Трубчатый электрофильтр: 1, 4 - патрубки; 2 - электрод; 3 - корпус Степень очистки на электрофильтрах очень высока - более 99 % при расходе энергии 0,1-0,8 кВт ч на 1000 м 8 газа. Электрофоретическое осаждение компонентов коптильного дыма на различных пищевых продуктах представляет собой процесс электрокопчения. Этот способ так же основан на явлении самостоятельной ионизации. В результате осаждения дыма на поверхности продукта и проникновения его компонентов внутрь происходит окрашивание поверхности изделия в коричнево-золотистые тона, продукт приобретает специфический аромат и вкус копчения, а также достигаются бактериальный и антиокислительный эффекты. Процесс электрокопчения при средней плотности дыма протекает очень быстро (2-5 мин). Однако при этом не происходит сушки продукта, в связи с чем весьма затруднительна его сравнительная оценка с обычным тепловым копчением. Использование инфракрасного излучения для подсушки продукта позволяет получать сравнимые результаты. Существует ряд схем электрокопчения. Принципиально схемы электрокопчения очень просты (рисунок 3.2). Для стабилизации самостоятельной ионизации используют резко неравномерное электрическое поле, например между проволокой и плоской пластиной. Именно этой цели 30 отвечает первая схема (рисунок 3.2, а). Тогда электростатическое поле создается заведомо неравномерным, практически не зависящим от размеров продукта. Рисунок 3.2 – Принципиальные схемы электрокопчения: а - продукт помещается в неравномерное электрическое поле; б - продукт выполняет роль пассивного электрода; в - предварительная ионизация коптильного агента; 1 - коронирующий электрод; 2 - пассивный электрод; 3 - продукт Коронирующий (активный) электрод вместе с положительно заряженной пластиной (пассивный электрод) создает неравномерное электрическое поле. Как результат максимальной напряженности электрического поля у активного электрода возникает корона, в зоне которой происходит интенсивная ионизация компонентов коптильного дыма, подаваемого снизу. В качестве коронирующего выбирают отрицательный электрод, так как подвижность отрицательных ионов больше, чем положительных. Образованные в зоне короны ионы адсорбируются на частичках дыма, сообщая им заряд, под действием которого они приобретают направленное движение в электрическом поле. В результате после столкновения с продуктом заряженные частицы осаждаются на его поверхности. При движении заряженных компонентов коптильного дыма в движение могут быть вовлечены нейтральные элементы, что особенно важно для паровой фазы. В связи с некоторой селективностью действия электростатического поля на составные части дыма возможна некоторая разница в аромате и вкусе изделий, копченных в электрокоптильных и обычных установках. Однако, варьируя напряженностью поля и используя специальные приемы обработки, можно получать продукты, практически не отличимые от обычных. При работе по второй схеме (рисунок 3.2, б)продукт используют в качестве пассивного электрода, причем коронирующие электроды расположены по обе стороны продукта. В этом случае электростатическое поле не будет стабильно неоднородным, как в первом, что может привести к возникновению обратной короны и образованию темных ободков излишних коптящих веществ на острых углах продукта. 31 Некоторое распространение получила схема предварительной ионизации дыма (рисунок 3.2, в). Дым, проходя через ионизационную решетку (например, из тонких проволочек), ионизируется и затем осаждается на продукты. Недостатком этого способа следует считать излишнюю обработку дымом частей продукта, наиболее близко расположенных к ионизационной решетке. 3.3 ЭЛЕКТРОКОПЧЕНИЕ Процесс электрокопчения сложен, особенно его физико-химическая сущность. Он зависит от большого числа факторов: напряжения, расстояния между электродами, скорости движения дыма, концентрации дыма, состава дыма и пр. Физические основы электрокопчения сводятся к тому, что первоначальные компоненты коптильного дыма под действием электростатических сил осаждаются на поверхности продукта, а затем в соответствии с законом диффузии проникают в продукт. Исследования, показавшие немедленное проникновение частицы дыма под действием электростатического поля на незначительную глубину, практически не меняют существа дела. Подвод тепла к продукту (обычно для подсушки) ускоряет диффузию коптильных компонентов в продукт. Аппарат для электрокопчения должен включать в себя следующие элементы: высоковольтное выпрямительное устройство с системой защиты и регулирования, собственно камеру для электрокопчения с транспортными средствами, дымообразователь с аппаратурой очистки дыма и дымопроводами. Кроме того, можно использовать приборы для контроля и регулирования плотности дыма, контроля и регулирования температуры и влажности, авто- матические разрядники и др. В ряде случаев аппараты оборудуют устройствами для подсушки и пропекания продуктов. Аппараты для электрокопчения в зависимости от транспортной схемы можно условно разделить на две группы: вертикального и горизонтального типов. В корпусе аппарата вертикального типа (рисунок 3.3) помещены на консольных звездочках две бесконечные цепи со свободно висящими крючками, образующими вертикальный секционный конвейер. Продукт, помещенный на колбасные палки, с помощью наклонного спуска захватывается крючьями конвейерной цепи. В зоне предварительной подсушки продукт нагревается инфракрасными лучами. В качестве источника инфракрасного излучения можно использовать лампы, керамические панели, беспламенные горелки и пр. Подсушенный продукт поступает в зону электрокопчения, которая оборудована коронирующими и пассивными электродами, причем пассивные электроды выполняют также роль перегородок, что способствует более полному использованию дыма. Каждая секция, оборудованная пассивными электродами, имеет индивидуальный выход отработавшего дыма в общий вентиляционный канал. Через этот же канал отсасываются пары из зон подсушки. Дым подается в каждую секцию через гребенку, соединенную с дымогенератором. Коронирующие электроды крепятся к боковым стенкам 32 камеры с помощью высоковольтных изоляторов, помещенных в предохранительные камеры. После копчения продукт проходит в зону окончательной подсушки, в конце которой при помощи наклонных направляющих производится разгрузка. Установка работает при напряжении 40-60 кВ, потребляемая мощность около 2 кВт. Рисунок 3.3 – Аппарат для электрокопчения вертикального типа с пространственным конвейером / - зона подсушки; // - зона копчения; /// - зона окончательной подсушки; 1 - короб; 2 - цепной конвейер; 3 - звездочки; 4 - конвейерные столы; 5 - преобразователь; 6 - дымогенератор; 7 - электродинамический датчик; 8 - фотоэлектрический датчик; 9 - успокоительная камера; 10 - коронирующий электрод Аппарат, приведенный на рисунке 3.3, представляет собой короб квадратного сечения (1 1 м), разделенный на три зоны. Цепной конвейер наклонен на 55–60°, что позволяет расположить продукт более компактно (в 2,5 раза), а также упростить систему загрузки, производя ее непосредственно с конвейерных столов. Разгружают конвейер на холостой ветви. Использование дыма в этой установке более эффективное, чем в установке вертикального типа. Кроме того, в горизонтальной установке легче герметизировать вход и выход продукции, например, воздушной завесой. В этом аппарате используется дымогенератор с вибрационной подачей опилок. В качестве источника вибраций взят электродинамический датчик. Амплитуда колебаний, создаваемая датчиком, а следовательно, и скорость подачи опилок в камеру сгорания, зависит от величины напряжения, что позволяет поддер- живать постоянный режим дымообразования. С этой целью в успокоительной камере установлен фотоэлектрический датчик плотности дыма, сигналы которого, преобразованные в преобразователе, уменьшают или увеличивают напряжение, подаваемое на электродинамический датчик. Высокое напряжение от источника высоковольтным кабелем подается на коронирующий электрод. При производительности установки 1 т/час длина конвейера достигает 10 м (по зоне электрокопчения). 33 Типичный аппарат горизонтального типа для копчения бекона приведен на рис. 3.4, а. Установка разделена на три зоны. Загрузка и выгрузка производятся с торца. В зоне предварительной подсушки и нагрева до 51 °С образующиеся водяные пары отсасываются вентилятором. Затем продукт попадает в зону электрокопчения. Генератор питает установки током высокого напряжения (до 60 кВ). Снабжение дымом производится от дымогенератора. Установка оборудована вариатором скоростей. В камере электрокопчения прямоугольного сечения на изоляторах подвешены коронирующие электроды (рисунок 3.4, б). Дым подается в низ камеры через короб, а отсасывается через верхний канал. Коронирующие электроды представляют собой угольную раму с натянутой нихромовой проволокой диаметром 0,6-0,8 мм. Задняя часть электрода закрыта металли- ческим листом, представляющим собой экран. Высоковольтный ввод находится в стороне от опорных изоляторов и соединяется с электродом кабелем. а) б) Рисунок 3.4 – Горизонтальный аппарат для электрокопчения бекона / - зона подсушки; // - зона копчения; /// - зона окончательной подсушки; а) общая схема: 1 - вентилятор; 2 - генератор; 3 - вариатор скоростей; 4 - дымогенератор; б) разрез зоны электрокопчения: 1 - лоток; 2 - электроды; 3 - изоляторы; 4 - канал; 5 - короб 34 Поскольку в зону электрокопчения продукт попадает уже разогретый, для сбора жира в нижней части камеры поставлен лоток. Установлены следующие периоды нахождения продукта (бекон массой 4,5 кг) в зонах: предварительной подсушки 20 мин, электрокопчения 3-4 мин, окончательной подсушки 3-4 мин. На рисунке 3.5 представлен аппарат для панировки рыбы в электрическом поле коронного разряда. Мука, осажденная на поверхности рыбы силами электрического поля, дает хорошую панировку, что позволяет повысить качество консервов и значительно снизить расход муки. Распыление и подача муки в камеры панировки осуществляется воздухом, нагнетаемым вентилятором через полиэтиленовые воздуховоды, присоединенные к боковым стенкам камеры так, что мука попадает в пространство между электродами и струнным транспортером. Панировка рыбы в электрическом поле коронного разряда позволяет получить на ее поверхности плотный, тонкий и равномерный слой муки. Рыба перемещается с помощью струйного транспортера. Коронирующие электроды изготовлены из нихромовой проволоки диаметром 0,2мм. Производительность машины на порционированной рыбе 15-17ц/час, на кильке 5-6 ц/час. Расход электроэнергии около 2 кВт ч. Расход муки при таком способе панировки уменьшается на 30-50 % в зависимости от влажности рыбы. Потери муки, оседающей на оборудовании, не превышают 0,2-0,5 %. Рисунок 3.5 – Аппарат для панировки рыбы в электрическом поле коронного разряда: 1 - струнный транспортер; 2 - очистительное устройство; 3 - камера панировки; 4 - бункер для муки; 5 - ленточный дозатор; 6 - устройство для распределения рыбы; 7 - станина; 8 - воздухопровод 35 Вопросы для самоконтроля по теме 3: 1. Как используют ионизированные газы в обработке пищевых продуктов? 2. Назовите процессы с применением высоковольтной ионизации. 3. В чем заключается сущность электростатической обработки? 4. Назовите два пути достижения ионизации газов. 5. Что определяет напряженность в равномерном поле? 6. Приведите формулу максимальной напряженности. 7. Какое электрическое поле является неоднородным? 8. Приведите пример высокой концентрации электропроводящих включений. 9. Что применяют при электроочистке газов? 10. Приведите принципиальную схему трубчатого электрофильтра. 11. Какая часть пыли оседает в зоне короны? 12. Почему трубчатые электрофильтры делают многосекционными? 13. Как происходит образование положительных ионов? 14. Какова степень очистки на электрофильтрах? 15. Что называется электрофоретическим осаждением компонентов? 16. Поясните суть процесса электрокопчения. 17. Как протекает процесс электрокопчения при средней плотности дыма? 18. Назовите основные схемы процесса электрокопчения. 19. Что создается коронирующим электродом вместе с положительно заряженной пластиной? 20. Что является результатом максимальной напряженности электрического поля у активного электрода? 21. Какой электрод выбирают в качестве коронирующего? 22. Что дает варьирование напряженностью поля? 23. В какой схеме продукт используют в качестве пассивного электрода? 24. Поясните схему предварительной ионизации дыма. 25. От каких факторов зависит процесс электрокопчени? 26. К чему сводятся физические основы для электрокопления? 27. Что включает в себя аппарат для электрокопчения (основные элементы)? 28. На какие две группы можно разделить аппараты для электрокопчения? 29. Что используется для подсушивания продукта в аппарате для электрокопчения? 30. Что используется в качестве источника инфракрасного излучения? 31. Чем отличаются коронирующие и пассивные электроды? 32. Какие секции в аппаратах для электрокопчения имеют индивидуальный выход отработавшего дыма? 33. Через что подается дым в каждую секцию, соединенную с дымогенератором? 34. Как называется последняя зона, в которую попадает продукт в аппаратах для электрокопчения? 35. В каком типе аппарата для электрокопчения использования дыма более эффективно? 36. С какой целью в успокоительной камере установлен фотоэлектрический датчик? Рекомендованная литература: [3, 5, 7, 8, 10, 12]. |