Технологии

Список технологий, по которым у специалистов нашей фирмы есть практический опыт:

• вспучивание вермикулита,

• вспенивание сыра,

• вулканизация резины,

• микроволновая обработка семян

• вакуумная сушка (в том числе и пищевых продуктов),

• аэродинамическая вихревая сушка (торнадо),

• улучшение микробиологических показателей сухофруктов, чаев и т.п.,

• пастеризация жидких продуктов,

• утилизация органических отходов,

• плазменные технологии очистки сингаза

• сушка древесины (доски, шпон, фанера),

• модификация древесины (упрочнение поверхностного слоя) с использованием микроволновой обработки и ультразвука,

• обеззараживание грунта теплиц (прогрев почвы до 70С),

• ферментация табака в тюках,

• нормализация табака по влажности после резки,

• вспенивание жидкого стекла в установках производящих теплоизоляционные плиты,

• отверждение пенобетона,

• сушка кормов для животных,

• регенерация кровельного (битумного) покрытия,

• ремонт и регенерация старого асфальтового покрытия,
• полимеризация зубных протезов.

Анализ инновационных технологий обработки материалов с использованием микроволновой энергии

Важным аспектом определения направления развития научно-производственной фирмы является основательный физико-технический анализ развития современных технологий обработки материалов и общих тенденций развития рынка. Представленный материал – обобщение данных, позволяющих, обоснованно выбирать эффективные технологические процессы и на этой основе проводить целенаправленную маркетинговую политику.

При определении критерия эффективности той или иной технологии необходимо, прежде всего, исходить из себестоимости продукции и конкурентоспособности получаемого товара.
Определяющими факторами в себестоимости являются:

• стоимость исходного сырья и коэффициент усушки;
• стоимость энергозатрат на килограмм готового продукта, определяемая типом энергоносителя, его стоимостью и коэффициентом полезного использования этого энергоносителя (КПД);
• стоимость производственных площадей (арендная плата)
• стоимость вспомогательных материалов и процессов (вода, вентиляция, фильтрация, очистка и т.п.);
• размер заработной платы и количество обслуживающего персонала;
• стоимость обслуживания и амортизации, связанные с надежностью оборудования.

Стоимость исходного сырья является важнейшим фактором в определении общей себестоимости, но она практически не зависит от технологии обработки, поэтому здесь не анализируется. С этой точки зрения удобно анализировать дополнительные затраты вносимые технологией.

Из анализа представленных данных и практики построения технологических линий следует, что стоимость энергозатрат на единицу продукции является, зачастую, определяющей.

В данной работе представлен анализ энергозатрат применительно к технологиям обработки материалов с помощью СВЧ технологий. Следует заметить, что практически все процессы с использованием микроволновой энергии связаны с преобразованием этой энергии в тепловую энергию внутри тела. От того, для каких целей используется такой нагрев (размораживание, жарка, плавление или сушка овощей и фруктов), зависит эффективность (рентабельность) использования микроволновой энергии. Рассмотрим наиболее важные технологические процессы по отдельности, т.к. энергоемкость этих процессов различна.

1. Сушка (обезвоживание).

Практически все технологические процессы сушки (за исключением центрифугирования и ультразвукового воздействия) связаны с нагревом продуктов и материалов. При этом нагрев может быть поверхностным (внешним) или объемным (внутренним). Внешний подвод энергии обеспечивается горячим теплоносителем, движущимся у поверхности (конвективный способ), горячей поверхностью подложки, на которой расположен материал (кондуктивный способ). К внутреннему подводу энергии относятся технологии с использованием электромагнитной энергии длинноволнового диапазона электромагнитного спектра. Для ИК излучения характерна длина волны от 0.1 до 10мкм, для микроволнового излучения от 10см до 50см, для УВЧ более 1м. Большая длина волны определяет и большую глубину проникновения волны в диэлектрический материал – отсюда и понятие «внутренний» нагрев. Следует заметить, что с общей физической точки зрения любой процесс нагрева можно рассматривать как объемный, но с разной глубиной проникновения.

Безусловно — генерация энергии внутри тела очень эффективна, что повышает общий КПД процесса. Однако для получения ИК, микроволновой или УВЧ энергии требуется исключительно дорогая электрическая энергия, в то время как для создания конвективных потоков воздуха или другого теплоносителя можно легко использовать более дешевые носители, такие как газ, дизельное топливо, пар, отходящие дымовые газы, древесные отходы и т.п. Для наглядности сравним ценовую эффективность использования газа, пара, дизельного топлива и электроэнергии для такого «идеального» процесса как испарение одного литра воды. При первой оценке будем считать КПД сушки равным 100%, т.е. потерь энергии не происходит. Цена энергоносителей взята средней на октябрь 2004г. Для испарения одного литра воды необходимо 2.4МДж энергии (0.67кВт*час).

Таблица 1. Сравнение стоимости энергоносителей

Если добавить к этой таблице коэффициент усушки сырых продуктов (7-12), а также учесть реальный КПД сушки не более 40-50%, то затраты на электроэнергию составят не менее (15-20)руб. на 1кг сухого продукта.
Из таблицы наглядно видно, что для снижения стоимости энергозатрат выгодно использовать, прежде всего, газ. Применение пара хотя и выгодно, но доступность этого энергетического источника невысока. Ввиду дороговизны энергетических источников в последнее время успешно развивается энергетика использования древесных и бытовых отходов, отработанного масла и т.п. Но широкого распространения в данный момент эти технологии и установки пока не получили.

Для пересчета полученных энергозатрат применительно к конкретному технологическому процессу сушки с известной начальной и конечной влажностью необходимо провести расчет количества влаги, испаряемого из одного килограмма исходного продукта.

Ввиду неизбежного подорожания всех энергетических носителей, актуальным направлением является использование принципов рекуперации энергии, а также оптимизации в целом технологии с точки зрения энергозатрат. Рекуперация энергии при сушке осуществляется путем частичной конденсации отходящих паров. Это может быть реализовано в установках, путем циркуляции теплоносителя (воздуха). Готовыми инженерными решениями являются так называемые тепловые насосы, которые позволяют получить до 3-х литров испаряемой влаги на 1кВт*час затраченной энергии. Однако их применение увеличивает капитальные затраты, требующиеся для построения таких систем.

Важно отметить, что в процессе сушки коэффициент использования тепловой энергии падает. На начальных этапах, когда идет испарение «свободной» влаги, он достигает 70%, в то время как в конце, когда испаряется «связанная» влага, не более 15-25% . Это связано с трудностью подвода влаги на поверхность, а энергии внутрь, из-за теплоизолирующих свойств высушенных верхних слоев. Для исключения этих эффектов и существенного сокращения периода сушки, целесообразно использовать внутренний нагрев, в частности, микроволновую энергию. Важным аспектом использования этой энергии на низких влажностях является существенное увеличение глубины проникновения волны в продукт, что улучшает равномерность воздействия на продукт. Другим сопутствующим фактором использования такого подхода является «равномеризация» (улучшение однородности) продукта по влажности, стерилизующий эффект, а также замеченное на практике, улучшение органолептических свойств конечного продукта, в частности, улучшение яркости цвета конечного продукта.

Учитывая вышеизложенные факторы, представляется целесообразным сочетание «дешевых» энергоносителей на первых стадиях сушки при удалении свободной влаги с микроволновым способом на стадии удаления связанной влаги.

При использовании пара, также как и при использовании газа, микроволновую сушку следует применять, только в случае предельно малых влажностей конечного продукта.
Использование дизельного топлива не дает никаких финансовых преимуществ по сравнению с электроэнергией.

Вывод: Использование электроэнергии как энергетического источника для сушки существенно уступает использованию газа или пара. Данный вывод распространяется на любой вид энергии ИК, микроволновой, УВЧ, получаемой из электрической энергии. Вопрос использования этих разновидностей электромагнитной энергии упирается в глубину проникновения волн внутрь тела, а значит, связан с конкретными особенностями сушимого продукта. В данном случае — это характерный размер тела (толщина нарезки). Так, для размеров в десятки сантиметров лучше использовать УВЧ, для сантиметровой нарезки (1-10)см – микроволновую энергию и для толщины 2-5мм – ИК.

2. Жарка (тепловая обработка)

Из практики использования бытовых микроволновых печей известно, что за функцию жарки и образование «корочки» на продукте отвечает гриль, т.е. ИК излучатель, встроенный внутрь микроволновки. Однако это справедливо только для продуктов с большой влажностью. Для таких сушеных продуктов как семена подсолнечника – это не верно. Остаточная влага в продукте позволяет нагреться им за счет микроволновой энергии до требуемых температур (150-210С), что позволяет жарить и семечки, и кофе, и орехи.

В процессах тепловой обработки затраты энергии могут идти на следующие процессы:

• на нагрев до определенной температуры (от 120 до220С);
• на досушивание продукта (на испарение);
• на собственно жарку (процесс химического преобразования, который идет с затратой или выделением тепла);
• на тепловые потери, которые при общем увеличении температуры приобретают большую роль.

Относительная роль этих потерь различна и в существенной степени зависит от абсолютных значений влажности и температуры обработки. Обычно процесс тепловой обработки идет с малым удалением влаги и поэтому затраты на нагрев в сравнении с затратами на испарение приобретают доминирующее значение. При использовании конвективного нагрева, тепловой КПД невысок, из-за плохой теплопроводности обрабатываемого материала. Кроме того, необходимо иметь большую разницу между температурой теплоносителя и обрабатываемого материала. Все это ведет к увеличению потерь энергии, а соответственно к удорожанию технологии. В этом случае внутренний нагрев за счет микроволновой энергии становится перспективным. Быстрый микроволновый нагрев с последующим интенсивным охлаждением холодным воздухом позволяют существенно сократить время высокотемпературной обработки и снизить количество канцерогенов, возникающих при высокой температуре.
Вывод: процессы жарки сухих материалов и продуктов достаточно перспективны при использовании в них микроволновой энергии.

3. Размораживание

Особенность процессов размораживания заключается в том, что в этом процессе одновременно наблюдаются процессы нагрева, испарения, а также фазового перехода воды из твердого состояния (льда) в жидкое (воду). Образующийся на поверхности продукта слой воды сильно замедляет процесс размораживания, т.к. теплопроводность воды много меньше, чем льда. По этой же причине нельзя ускорять процесс размораживания за счет увеличения температурного напора (разности между температурой продукта теплоносителя).

Для целей разморозки особенно эффективно применение микроволновой и УВЧ энергии. Первую — целесообразно применять для размеров исходного продукта порядка 50см, вторую — для характерных размеров 50-100см и более (например, мясные туши, замороженные блоки рыбы и т.п.). Это связано с тем, что лед представляет собой кристаллическую структуру, с малыми диэлектрическими потерями, что дает глубину проникновения более 1м. (см. рисунок).

Данный график наглядно показывает, что подвод энергии на глубину более 1метра может быть легко обеспечен. Однако, и в данном случае нельзя допускать образование воды на поверхности – она будет экранировать прохождение энергии внутрь. Для исключения этого явления часто используют импульсный метод разморозки при внешней температуре на продукте ниже 0С. Для ускорения процесса разморозки снаружи продукт можно обдувать холодным воздухом (-3-5С). Образно выражаясь: микроволновая печь и холодильник являются комплементарной парой.

Такой же подход можно применять при решении вопросов не только разморозки, но и расплава таких пищевых продуктов как масло, маргарин, шоколад и т.п.

Вывод: процессы размораживания и плавления, безусловно, перспективны при использовании в них микроволновой энергии. Важными аспектами применимости этой технологии является тип материала, размер блоков, температурный диапазон работы.