Способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов

 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве. Техническим результатом изобретения является повышение точности и информативности определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов. Данный результат достигается тем, что при воздействии на образец испытуемого материала электромагнитным полем высокой или сверхвысокой частоты информацию о теплофизических характеристиках получают, регистрируя изменения температуры в точках, расположенных внутри и на поверхности материала в зоне нагрева, и плотности теплового потока у поверхности образца после прекращения электромагнитного воздействия. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве и может применяться в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

Известны способы определения характеристик с.-х. материалов и пищевых продуктов (Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. - М. : Агропромиздат, 1988.). Однако они не позволяют найти все характеристики, входящие в дифференциальное уравнение теплопроводности и граничные условия к нему, что в свою очередь затрудняет определение технологических режимов обработки с.-х. материалов и пищевых продуктов.

Из известных технических решений наиболее близким по сущности является способ определения теплофизических свойств (см. а.с. СССР N 1286977, МКИ A 01 G 7/00, 1987 г.). Этот способ позволяет определить характеристики с.-х. материалов с помощью СВЧ-нагрева материала.

Однако существующий способ не позволяет определить коэффициенты теплоотдачи, объемной теплоемкости и теплопроводности. Кроме того, коэффициент температуропроводности определяется по сути дела по одной точке, что снижает его точность, а вычисление по нескольким значениям температуры весьма громоздко. Это приводит к неточности при расчете доз СВЧ-воздействия на биообъекты и определении необходимых технологических режимов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и информативности определения характеристик с.-х. материалов и пищевых продуктов.

В результате использования предлагаемого изобретения достигается определение необходимых характеристик для расчета доз СВЧ-воздействия на с.-х. материалы и пищевые продукты и других необходимых технологических параметров, необходимых для СВЧ-обработки.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что при воздействии на образец испытуемого материала электромагнитным полем высокой или сверхвысокой частоты информацию о теплофизических характеристиках получают, регистрируя изменения температуры в точках, расположенных внутри и на поверхности материала в зоне нагрева, и плотности теплового потока у поверхности образца после прекращения электромагнитного воздействия.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлены зависимости температуры (кривая 1) почвы от времени остывания и удельной плотности теплового потока (кривая 2) у поверхности почвы (компост N 5, состав в %: торф 20, суглинок 60, навоз 20; влагосодержание u = 22%, плотность 1200 кг/м³). Здесь t₀=20^oC, x₁=0,02 м, x₂=0,06 м.

Пример конкретного исполнения.

Образец почвы погружали в измерительную ячейку камеры опытной установки, которая содержит: СВЧ-генератор мощностью 0,5 кВт (2450 МГц), три термопары, тепломер, измеритель удельного теплового потока и измеритель температуры. Раскрыв рупорного излучателя расположен над образцом (почвой) и установлен на высоте 5 см над ее поверхностью. Установка позволяет измерять температуру в трех точках: на поверхности, на глубинах 0,02 и 0,06 м и удельную плотность теплового потока на поверхности материала непосредственно в зоне действия энергии поля. Ширина и длина образца почвы выбрана таким образом, чтобы энергия ЭМП СВЧ полностью поглощалась образцом и не происходило отражения электромагнитной волны от дна камеры. Измерительная ячейка камеры теплоизолирована от окружающей среды с помощью адиабатической оболочки. Термопары и тепломер установлены по одной линии перпендикулярно раскрыву излучателя. Выбранные конструктивные параметры измерительной установки и время СВЧ-воздействия позволяют считать исследуемый образец материала полубесконечной средой. На измерительной установке были сняты зависимости температуры и удельного теплового потока от времени для почвы (см. чертеж).

Система уравнений для определения характеристик a, λ, cρ имеет вид Из системы (1) видно, что для определения теплофизических характеристик необходимо на стадии остывания материала получить экспериментальные зависимости t(0,τ) = f(τ), q(τ) = f(τ). Зависимость температуры поверхности материала достаточно точно может быть описана первым уравнением системы (1). Зависимость удельного теплового потока от времени можно снять, например с помощью тепломера с измерителем теплового потока ИПТ-9.

Алгоритм определения следующий: вначале путем аппроксимации полиномом второго порядка экспериментальной зависимости t(0,τ) = f(τ) получим коэффициенты c₀, c₁, и c₂; после чего находим коэффициент функции начального распределения температуры k₁ на стадии остывания материала; затем рассчитываем значения коэффициентов температуропроводности a и критерия Био B_i, для определения коэффициента теплопроводности λ по уравнению теплоотдачи вычисляем коэффициент теплоотдачи α и в заключение - объемную теплоемкость материала cρ. Пример численного определения теплофизических характеристик (a, α, λ, cρ) 1. Экспериментальную кривую 1 функции температуры от времени на стадии остывания аппроксимируем полиномом второй степени, который примет вид откуда c₀=t_n=50,38^oC, при t_c=20^oC, c₁=0,42327, c₂=0,00362.

2. Из начальных условий x > 0 по экспериментальной зависимости температуры от времени в начале стадии остывания (или конце стадии СВЧ-нагрева) находим t_n и k₁ по результатам измерения температуры в материале с координатами x₁ и x₂. Коэффициент функции начального распределения температуры k₁ определяем по формуле 3. Температуропроводность а находим из системы (1) с учетом экспериментальной зависимости температуры от времени на стадии остывания и ее аппроксимации согласно п.1, тогда
Критерий (число) B_i определяем из системы уравнений (1) по выражению

5. Коэффициент теплоотдачи α для точки с мгновенным значением времени τ = 210 c) находим из уравнения теплоотдачи

6. Коэффициент теплопроводности λ вычисляем по соотношению

7. Объемную теплоемкость, cρ определяем по уравнению

Сравнительный анализ экспериментальных данных, полученных по новому способу и по известному способу (классической методике Чернышенко В.Г., Фоломеев В.А., Гарбуз В.М. Теплофизические характеристики тепличных почв. - Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1979, N 2, стр. 19-20. ) для тепличной почвы (компост N 5), показывает их хорошую сопоставимость. Результаты представлены в таблице.

Предложен комплексный способ определения теплофизических характеристик (a, α, λ, cρ) после СВЧ-обработки, которые с учетом электрофизических характеристик (k, W), позволяет описывать как стадию СВЧ-нагрева так и последующего остывания в широком диапазоне изменения температуры и влажности для сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов.

Формула изобретения

Способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, заключающийся в том, что образец нагревают, воздействуя на него энергией электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в направлении от поверхности в глубину образца, а после прекращения действия поля скачкообразно изменяют температуру поверхности, поддерживая ее постоянной, и регистрируют изменение температуры образца во времени на стадии остывания, на основании чего судят о теплофизических свойствах образца, отличающийся тем, что после прекращения воздействия электромагнитного поля регистрируют вначале температуру объекта в зоне нагрева на двух глубинах, а затем изменение во времени у поверхности образца температуры и плотности теплового потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2