ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭИТ ПРИ КОПЧЕНИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

К высокоэффективному методу копчения сельскохозяйственных продуктов, можно отнести разработки, в которых применяется электрическое поле. Их преимущества над традиционными заключается в том, что период горячего копчения сельскохозяйственной продукции значительно уменьшается, а именно в 2-3 раза, а холодного копчения – как минимум в 10 раз. Это позволяет создавать установки непрерывного воздействия и полностью механизировать процесс, в связи с этим увеличивается выход готовой продукции, достигается наибольшее сбережение сырья, увеличивается эффективность труда, а удельные энергетические затраты уменьшаются более чем в 1,5 раза.
К серьезным недостаткам существующих ЭИТ, можно отнести неоднородное распределения частиц полученных из дымовоздушной смеси по всей поверхности продукта копчения.
Процесс копчения под воздействием ЭИТ, как правило, проходит три основные стадии:……………………………………………………………………………..

1. Накопления заряда в частицах дымовоздушной смеси;
2. Движение частиц смеси к продукту копчения;
3. Распределение оседаемых частиц и их поведение на продукте копчения.

Накопление заряда в  частицах под воздействием электрического поля коронного разряда протекает с помощью распределения по всей поверхности частиц ионов из объема полученного  газа. Это возникает из-за «бомбардировки» ионами, перемещающихся по пути к силовым линиям электрического поля и распределения ионов, протекающих в диффузионном движении («диффузионная» зарядка).
Фактически  во всем диапазоне напряженностей, распространенных и существующих аппаратах ЭИТ (1..5 кВ/ см), для частиц  которые имеют r ≥ 2 мкм их заряд определяется по формуле Потенье [6]:

 (1)

где:  - электрическая постоянная, Ф/м; t – время зарядки частиц, Ек – напряженность электрического коронного разряда в зоне нахождения частицы, е – величина заряда е = 1,6 х 10^-15 r – радиус частицы, с;  - коэффициент, указывающий на диэлектрические свойства, которыми обладают частицы дымовоздушной смеси;  - относительная диэлектрическая пропускаемость вещества в частицы.

При выражение (1) принимает следующий вид:

 (2)

Анализ уравнения (2) позволяет сделать вывод, что величина заряда частицы может зависеть от диэлектрических свойств , r, и напряженности Е_к. Напряженность заряжения частиц во времени зависит от распространения и первоначального накопления ионов.
На заряженную сконцентрированную частицу дымовоздушной смеси при ЭИТ могут воздействовать следующие силы:

 (3)

где - сила; - тяжести, обозначенная взаимовлиянием заряда частицы и электрического поля (кулоновская сила); - сила, указывающая на неоднородное распределение электрического поля;  - сила сопротивления между движения частицы;  - сила электрического потока ветра.

При расчетах распространения заряженных частиц, нужно учитывать, силу электрического поля , которая балансирует силу противодействия среды. 
Величина , обозначенная взаимовлиянием заряда частиц и электрического поля дымовоздушной смеси (кулоновская сила), определяется из соотношения:

 (4)

На данный момент, она является одной из самых приоритетных сил в электрическом фильтре.::
Сила сопротивления среды препятствующая движению частицы  в воздухе при обычных атмосферных условиях определяет установившуюся скорость движения частицы. Согласно, закону Стокса, частиц с диаметром 2 до 50 при нормальной скорости их перемещения в электрокоптилке по отношению газа она равна:

 (5)

где W- скорость движения частиц под воздействием поля вблизи осадительного электрода, м/с [6]; µ- коэффициент динамической вязкости газа, Н*с/м2.
Приравняв правые части из уравнений (4) и (5), получим:

(6)

Один из главных методов усиления распределения частиц в электрокоптилке – это повышение электрической силы , которая на прямую зависит от интенсивности электрического поля в межэлектродном пространстве и величины заряда частиц дымовоздушной смеси. Величина напряженности электрического поля в области распределения выбирается исходя из электрической напряженности межэлектродного промежутка.
Поэтому рационально исследовать вероятность увеличения напряженности электрического поля в области распределения мелкодисперсного аэрозоля.
При применении традиционного электрокопчения наиболее крупные частицы дымовоздушной смеси осаждаются в нижней части поверхности продукта копчения, а наиболее мелкие части аэрозоля неоднородно распределяется по всей его поверхности (рис. 1). Для приготовления высококачественного продукта копчения, частицы дымовоздушной смеси должны равномерно распределяться по всей плоскости продукта.
Цель наших исследований – изучить основные вопросы однородного распределения дымовоздушной смеси, а именно мелкодисперсной части аэрозоля по всей поверхности продукта копчения. А также рассмотреть эффективность предварительной очистки коптильного дыма от наиболее крупных частиц, при применении ЭИТ при копчении продукта.

Условия, материалы и методы. Для наиболее однородного распределения мелкодисперсной части дымовоздушной смеси, нужно сформировать электрическое поле в межэлектродном пространстве с переменной напряженностью по всей высоте устройства, которое позволит осуществить предварительную очистку смеси от наиболее крупных частиц (рис. 2).
Напряженность электрического поля, необходимо определять по формуле [6]:

 (7)

Величину d согласно рис.2 определяется по выражению:

 (8)

Рис. 1. Принцип электрокопчения установки УЭК-1 и картина распределения частиц дымовоздушной смеси по всей высоте установки и продукта копчения;
1 – коронирующий отрицательный электрод; 2 – продукт копчения (рыба) ; 3 – источник высокого напряжения; 4 – частицы дымовоздушной смеси.

Известно,  для величины  записать выражение в следующем виде :

 (9)

где - угол отклонения коронирующего электрода по вертикали (тангенс угла) .
При подстановке выражения (8) и (9) в (7) получим:

 (10)

Приравняв выражение (10) в (6) получим аналитическое уравнение для нахождения скорости отклонения частиц от угла а

Рис. 2. Схема расположения коронирующих электродов в установке и картина распределения частиц дымовоздушной смеси для нее:
1 – игольчатый коронирующий электрод; 2 – продукт копчения (заземленный электрод); 3 – дополнительный заземленный электрод (отвечающий за предварительную очистку дымовоздушной смеси от частиц с наибольшим размером).

 (11)

Эффективность распределения частиц дымовоздушной смеси по всей поверхности продукта, в данном случае можно определить по формуле Дейча [6]:

 (12)

где l – длина (продукта копчения), м; u – скорость дымовоздушной смеси, протекающей внутри коптильной камеры, м/с; W – скорость движения частиц к поверхности продукта к зоне их распределения (определяетсяпо формуле (11)), м/с; d – межэлектродное пространство в зоне распределения , м;

Однородность распределения частиц на поверхности продукта копчения, можно определить при помощи коэффициента вариации

 (13)

где,  - средняя величина показателя, а – среднее квадратичное отклонение, V – коэффициент вариации.

Подведение результатов и обсуждение. Зависимость равномерного распределения частиц дымовоздушной смеси от величины изменения напряженности по выражению (10), указывает на то, что при постоянной напряженности электрического поля в коптильной камере 66 % частиц с размером 0,08 мкм, наполняемую основную часть смеси дыма, оседает на добавочном электроде и только 34 % распределяется на всю площадь поверхности продукта (рис. 3). Это свидетельствует о том, что большая часть дымовоздушной смеси распределяется неравномерно, то есть распространяется неоднородно по поверхности продукта копчения.
Между тем, при переменной напряженности на добавочном электроде оседают только 38 % частиц дымовоздушной смеси, вследствие чего происходит наиболее равномерное распределение частиц на поверхности продукта копчения, что указывает на улучшение процесса копчения и на качество готовой продукции в несколько раз. Следовательно дальнейшие расчеты проводятся для опытной установки, обеспечивающей E = var .
Анализ отношения эффективности распределения частиц дымовоздушной смеси в зависимости от их размера и скорости движения потока в данной смеси, показал, что частицы размером r ≥ 1 мкм, при скорости движения потока дымовоздушной смеси u = 0,002 м/с практически с эффективностью 100 % оседают на добавочном электроде (рис. 4).

Рис. 3. Зависимость эффективности распределения частиц дымовоздушной смеси от характера конфигурации напряженности Е: - , - 

При увеличении скорости движения потока дымовоздушной смеси (на примере частиц r ≥ 0,08 мкм), число частиц, оседаемых на поверхности продукта копчения, увеличивается. Зачастую частицы таких размеров распределяются на поверхности продукта при скорости u = 0,002 м/с.
Зависимость количества распределяемых частиц по всей высоте установки, для частиц с различными размерами указывает на то, что на добавочном электроде осаждается до 70 % частиц размерами r = 0,12 мкм и 34,4%; частиц с размерами r = 0,2 мкм, 51,4 % частиц размером r = 0,07 мкм.
Коэффициент вариации для частиц размером r = 0,07 мкм равен -12,85%, r = 0,2 мкм – 57,16 % и r = 0,12 мкм – 28,92 %.

Рис. 4. Зависимость эффективности распределения частиц  от их размера r и скорости движения потока дымовоздушной смеси:  - r = 1 мкм,u = м/с; - r = 0,08 u = 0,002 м/с;  - r= мкм, u = 0,0015 - r = 0,08 мкм, u= м/с.

Рис. 5. Зависимость количества распределяемых частиц дымовоздушной смеси (в %) на дополнительном электроде и поверхности продукта копчения от их размера r :
а) r = 0,2 мкм; б) r = 0,12 мкм; в) r = 0,07 мкм.

Применение экспериментальной установки обеспечивает глубокую и эффективную предварительную очистку от наиболее крупных частиц, благодаря которой происходит равномерное распределение мелкодисперсной части дымовоздушной смеси по всей поверхности продукта копчения, а это,в свою очередь, позволит увеличить качество и вид продукции.

Выводы. Теоретически обоснование применения ЭИТ при копчении с/х продукции, обеспечивает более равномерное распределение мелкодисперсной части дымовоздушной смеси по всей поверхности продукта копчения.
Процессы распределения частиц дымовоздушной смеси, протекающие при применении ЭИТ, обуславливаются основным законам электрогазодинамики.

1. Воскресенский Н.А. Посол, копчение и сушка рыбы. – М.: Пищевая промышленность, 1966.
2. Верещагин И.П. и др. Основы электрогазодинамики дисперсных систем,- М., Энергия, 1974, – 480 с.
3. Ужов В. Н. Очистка промышленных электрофильтрами. – М. :Химия, 1967. – с.
4. Мезенова КимИ.Н., Бредихин С.А. Производство пищевых продуктов. – Колос, 2001.
5. Воскресенский Н.А. Электрокопчение и использования этого в рыбной промышленности Рыбное хозяйство, № 1956.
6. Рогов И.А. Электрофизические обработки пищевых продуктов. – Агропромиздат, 1988.

Все статьи автора «Осинцев Владимир Александрович»