Физические особенности взаимодействия СВЧ полей с диэлектрическими объектами и вытекающие из них преимущества микроволновой сушки продуктов

1. Объемный характер выделения энергии при облучении диэлектрика микроволновыми электромагнитными волнами: при любых других (из упомянутых выше) методах сушки энергия выделяется исключительно на поверхности и тем хуже проникает внутрь, чем ниже поверхностная и объемная влажность диэлектрика. В этой связи, заключительный этап сушки при использовании любых других (кроме микроволнового) физических механизмов обезвоживания связан с существенно повышенными энергозатратами. Микроволновые технологии принципиально избавлены от подобных негативных моментов.

2. Микроволновая энергия выделяется селективно (именно в тех областях, в которых имеет место наибольшее содержание влаги). Последнее обусловлено самим механизмом выделения в диэлектрике энергии электромагнитного поля высокой частоты. Под действием переменного электрического поля молекулы воды (диполи) начинают совершать колебательные и вращательные движения, ориентируясь с частотой поля по его электрическим линиям. Движение молекул – это и есть тепловая энергия. Чем больше воды в заданном объеме, чем больше молекул участвует в этом движении, тем больше тепловой энергии выделяется. Эта особенность выделения энергии при микроволновом воздействии на объект обеспечивает высокую конечную однородность объектов сушки по влажности.

3. Микроволновая сушка характеризуется малым временем и относительно низкой температурой процесса, что применительно к пищевым продуктам является основой для очень высокого (до 96-98%) уровня сохраняемости полезных веществ и витаминов в ее процессе.

4. Источником энергопотребления генераторов СВЧ энергии является исключительно электроэнергия; в микроволновых технологиях не используется энергия сжигания газов, жидкого и твердого топлива, что обеспечивает их исключительную экологическую чистоту.

 Указанные выше обстоятельства делают применение микроволновой энергии в технике и технологиях сушки чрезвычайно привлекательными и перспективными. Следует, однако, учитывать при этом два чрезвычайно важных обстоятельства, существенно влияющих на целесообразность и эффективность применения микроволновой энергии и микроволновых технологий:

- во-первых, в оборудовании микроволновой сушки необходимо использовать современные электродинамические решения рабочих камер, в которых происходит взаимодействие микроволновой энергии с подвергаемыми сушки объектами. Это связано с необходимостью обеспечения высокой пространственной однородности электромагнитного поля СВЧ в зоне расположения высушиваемых объектов.

- во-вторых, микроволновую энергию и, соответственно, микроволновые технологии и оборудование сушки следует использовать для решения задач обезвоживания именно тех продуктов и именно в тех диапазонах влажности, где они превосходят по своей эффективности конвекционные тепловые технологии или, как минимум, не уступают им.

Решение именно этих задач и лежало в основе создания СВЧ технологий и микроволнового оборудования, промышленно выпускаемого с начала 90-х годов нашим предприятием.

Разработка выпускаемых в настоящее время параметрических рядов оборудования микроволновой и комбинированной (конвекционно – микроволновой сушки), их последующий выпуск были бы невозможны без запатентованных специалистами предприятия технических решений, защищающих наши изобретения в двух основополагающих для описываемых технологий и оборудования областях.

Первая группа изобретений посвящена обеспечению предельно возможной однородности пространственного распределения интенсивности электромагнитных полей СВЧ в зоне воздействия (на подвергаемые микроволновому облучению диэлектрические объекты). Необходимо еще раз подчеркнуть, что это чрезвычайно принципиальный вопрос для задач СВЧ воздействия, поскольку СВЧ технологии целесообразно использовать применительно к продуктам относительно низкой исходной влажности, с достаточно вяло текущими тепло- и массообменными процессами; в силу этого пространственная неоднородность СВЧ поля практически без изменений трансформируется в близкую по закону распределения пространственную неоднородность энерговыделения в подвергаемой микроволновому воздействию диэлектрической среде и соответствующую неоднородность свойств подвергнутых СВЧ обезвоживанию продуктов.

В отличие от практически всех известных разработок и выпускаемого оборудования СВЧ, мы не стали создавать рабочие камеры СВЧ нагрева для промышленных установок сушки на базе сверхразмерных многомодовых низкодобротных резонаторов. Нам удалось создать электродинамические системы волноводного типа, в которых практически вся энергия СВЧ поля сконцентрирована в фундаментальной моде (тип колебаний Н11), а высшие (практически не излучающиеся (!) из электродинамической системы) моды поля имеют уровень на 40 – 60 дБ ниже уровня фундаментальной моды. Для понимания важности полученных нашими специалистами результатов приведу такие цифры – на основе найденных решений нам удалось создать рабочую камеру для установок СВЧ сушки конвейерного типа, работающих на частоте 2,45 ГГц, с поперечным сечением открытого с обеих сторон рабочего канала установки 200 x 800 мм! При этом существующие гигиенические нормы по уровню микроволнового излучения соблюдаются с запасом 7-10дБ.

В запатентованных нашим предприятием электродинамических системах удалось обеспечить практически идеальную пространственная однородность СВЧ поля (и соответственно, идеальную пространственная однородность энерговыделения) по двум пространственным координатам. Однородность энерговыделения по третьей пространственной координате обеспечивается совершенно одинаковым конвейерным (однонаправленным и односкоростным) движением через СВЧ поле (имеющейся по этой координате структуры) всех элементов объема подвергаемых излучению продуктов.

Вторая группа изобретений относится к параметрам сопряжения двух типов энергетического воздействия на продукт (конвективного теплового и микроволнового), определению оптимального сочетания пространственных, временных и энергетических характеристик этих механизмов обезвоживания. В основе этих работ и технических решений лежало основополагающее соображение о том, что каждый из упомянутых физических механизмов обезвоживания "работает" лучше или хуже, в зависимости от проходимого при сушке диапазона влажностей продукта. При больших значениях влажности продукта предпочтительнее использование физических механизмов конвективного теплового обезвоживания. Это имеет место в силу высокого (близкого к 100%) КПД преобразования практически любых видов энергии в тепловую и существенно меньшего (порядка 60%) КПД преобразования энергии переменного тока в электромагнитную энергию СВЧ. Поэтому при средних и низких значениях влажности продуктов все преимущества – на стороне СВЧ воздействий.

На базе этих исследований, найденных и запатентованных технических решений определены наиболее рациональные сочетания параметров обоих физических механизмов обезвоживания, обеспечивающих минимальную энергоемкость объединенного процесса обезвоживания и наибольшую однородность свойств высушенных таким способом продуктов и реализовано это сочетание параметров в выпускаемом нашим предприятием оборудовании.

На основе этих исследований и найденных технических решений и было создано выпускаемое ООО НПФ “Этна” оборудование микроволновой и комбинированной (конвективно - микроволновой) сушки, к основным достоинствам которого можно отнести:
- чрезвычайно низкую энергоемкость процесса, достигаемую за счет объемного селективного разогрева продуктов СВЧ полем, особенно на конечных стадиях сушильного процесса, когда тепло- и массообменные процессы уже "не работают" и использование конвективной тепловой сушки практически бессмысленно с физической точки зрения. В результате, например, при сушке овощей энергоемкость процесса удается снизить до 1,2 – 1,4 кВт*ч/кг по испаренной влаге вместо 3 – 3,5 кВт*ч/кг, характеризующих традиционную тепловую конвекционную сушку;
- высокую скорость сушки – порядка 1,2 – 2,0 часов практически для любых материалов;
- высокую сохраняемость полезных веществ и витаминов в прошедших через процесс обезвоживания пищевых продуктах, что связано со щадящим режимом сушки в СВЧ поле; так овощи и фрукты, высушенные таким способом сохраняют 96 – 98 % полезных веществ и витаминов (по сравнению с 50 – 60 % при конвекционной тепловой сушке);
- эффект обеззараживания СВЧ полем (полное уничтожение микрофлоры), имеющий место в любых режимах сушки.

Достигнутые на этом оборудовании практические результаты, масштабы его внедрения и разнообразие решаемых с его помощью задач несомненно свидетельствуют о перспективности и практической значимости СВЧ технологий.

Подробно физические основы микроволновой сушки рассмотрены в монографии В.Я. Явчуновского "Микроволновая и комбинированная сушка: физические основы, технологии и оборудование", изд-во СГУ, Саратов, 1999 г.