Войти
A микроволновая печь использует диэлектрический нагрев для приготовления пищи. Диэлектрический нагрев, также известный как электронный нагрев, радиочастотный обогрев и высокочастотный обогрев - это процесс, в котором радиочастотное (RF) переменное электрическое поле или радио Волновое или микроволновое электромагнитное излучение нагревает диэлектрический материал. На более высоких частотах этот нагрев вызывается вращением молекулярного диполя внутри диэлектрика.
Молекулярное вращение происходит в материалах, содержащих полярные молекулы, имеющие электрический дипольный момент, с в результате они будут выстраиваться в электромагнитном поле. Если поле колеблется, как в электромагнитной волне или в быстро колеблющемся электрическом поле, эти молекулы непрерывно вращаются, выравниваясь с ним. Это называется дипольным вращением или дипольной поляризацией. По мере смены поля молекулы меняют направление. Вращающиеся молекулы толкают, притягивают и сталкиваются с другими молекулами (посредством электрических сил), распределяя энергию между соседними молекулами и атомами в материале. Процесс передачи энергии от источника к образцу является формой радиационного нагрева.
Температура связана со средней кинетической энергией (энергией движения) атомов или молекул в материале, поэтому перемешивание молекул таким образом увеличивает температуру материала. Таким образом, вращение диполя - это механизм, с помощью которого энергия в виде электромагнитного излучения может повышать температуру объекта. Есть также много других механизмов, с помощью которых происходит это преобразование.
Вращение диполя - это механизм, обычно называемый диэлектрическим нагревом, и наиболее часто он наблюдается в микроволновой печи, где он работает наиболее эффективно. на жидкой воде, а также, но в гораздо меньшей степени, на жирах и сахарах. Это связано с тем, что молекулы жиров и сахара гораздо менее полярны, чем молекулы воды, и, таким образом, меньше подвержены влиянию сил, создаваемых переменными электромагнитными полями. Вне приготовления пищи этот эффект обычно можно использовать для нагрева твердых тел, жидкостей или газов, если они содержат некоторые электрические диполи.
Диэлектрический нагрев включает нагрев электроизоляционных материалов за счет диэлектрических потерь. Изменяющееся электрическое поле в материале вызывает рассеяние энергии, поскольку молекулы пытаются выровняться с непрерывно изменяющимся электрическим полем. Это изменяющееся электрическое поле может быть вызвано электромагнитной волной, распространяющейся в свободном пространстве (как в микроволновой печи), или быстро изменяющимся электрическим полем внутри конденсатора. В последнем случае нет свободно распространяющейся электромагнитной волны, и изменяющееся электрическое поле можно рассматривать как аналог электрического компонента антенны ближнего поля. В этом случае, хотя нагрев осуществляется за счет изменения электрического поля внутри емкостного резонатора на радиочастотах (RF), фактические радиоволны не генерируются и не поглощаются. В этом смысле эффект является прямым электрическим аналогом нагрева магнитной индукцией, который также является эффектом ближнего поля (таким образом, без радиоволн).
Частоты в диапазоне 10– 100 МГц необходимы, чтобы вызвать нагрев диэлектрика, хотя более высокие частоты работают одинаково хорошо или лучше, а в некоторых материалах (особенно жидкостях) более низкие частоты также имеют значительный нагревательный эффект, часто из-за более необычных механизмов. Например, в проводящих жидкостях, таких как соленая вода, ионное увлечение вызывает нагрев, так как заряженные ионы «тянутся» медленнее назад и вперед в жидкости под действием электрического поля, ударяя при этом молекулы жидкости и передавая кинетическую энергию на их, что в конечном итоге преобразуется в молекулярные колебания и, следовательно, в тепловую энергию.
Диэлектрический нагрев на низких частотах, как эффект ближнего поля, требует расстояния от электромагнитного излучателя до поглотителя менее 1 / 2π ≈ 1 / 6 длины волны. Таким образом, это контактный процесс или процесс, близкий к контакту, поскольку он обычно помещает нагреваемый материал (обычно неметалл) между металлическими пластинами, заменяя диэлектрик в том, что фактически является очень большим конденсатором . Однако фактический электрический контакт не является необходимым для нагрева диэлектрика внутри конденсатора, поскольку электрические поля, которые образуются внутри конденсатора, подверженного действию напряжения, не требуют электрического контакта пластин конденсатора с (непроводящим) диэлектрическим материалом между пластинами.. Поскольку электрические поля более низкой частоты проникают в непроводящие материалы гораздо глубже, чем микроволны, нагревательные карманы с водой и организмы глубоко внутри сухих материалов, таких как дерево, его можно использовать для быстрого нагрева и приготовления многих неэлектропроводных продуктов питания и сельскохозяйственных предметов, поэтому до тех пор, пока они помещаются между пластинами конденсатора.
На очень высоких частотах длина волны электромагнитного поля становится меньше расстояния между металлическими стенками нагревательной полости или размеров самих стенок. Это случай внутри микроволновой печи. В таких случаях образуются обычные электромагнитные волны дальнего поля (резонатор больше не действует как чистый конденсатор, а скорее как антенна) и поглощаются, вызывая нагрев, но механизм тепловыделения с дипольным вращением остается прежним. Однако микроволны неэффективны при нагревании низкочастотных полей, которые зависят от более медленного движения молекул, например, вызванного ионным увлечением.
Диэлектрический нагрев следует отличать от Джоулев нагрев проводящей среды, который вызывается наведенными в ней электрическими токами. Для диэлектрического нагрева плотность генерируемой мощности на единицу объема определяется как:
где ω - угловая частота возбуждающего излучения, ε r ″ - мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости поглощающего материала, ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, а E - напряженность электрического поля. Мнимая часть (зависящей от частоты) относительной диэлектрической проницаемости является мерой способности диэлектрического материала преобразовывать энергию электромагнитного поля в тепло.
Если проводимость σ материала равна мала или частота высока, так что σ ≪ ωε (при ε = ε r ″ · ε 0), то диэлектрический нагрев является доминирующим механизмом потери энергии из-за электромагнитное поле в среду.
Микроволновые частоты проникают сквозь проводящие материалы, включая полутвердые вещества, такие как мясо и живые ткани. Проникновение по существу прекращается там, где вся проникающая микроволновая энергия в ткани преобразуется в тепло. Микроволновые печи, используемые для нагрева пищи, не настроены на частоту, обеспечивающую оптимальное поглощение водой. Если бы это было так, то рассматриваемый кусок пищи или жидкости поглотил бы все микроволновое излучение своим внешним слоем, что привело бы к холодному, ненагретому центру и перегретой поверхности. Вместо этого выбранная частота позволяет энергии проникать глубже в нагретую пищу. Частота бытовой микроволновой печи составляет 2,45 ГГц, а частота оптимального поглощения водой составляет около 10 ГГц.
Использование высокочастотных электрических полей для нагрева диэлектрических материалов было предложено в 1930-х годах. Например, США. В патенте 2147689 (заявка Bell Telephone Laboratories, датированная 1937 г.) говорится: «Это изобретение относится к системам нагрева для диэлектрических материалов, и цель изобретения - равномерно и практически одновременно нагревать такие материалы по всей их массе. Поэтому было предложено нагревать такие материалы одновременно по всей их массе за счет диэлектрических потерь, возникающих в них, когда они подвергаются воздействию высокого напряжения и высокочастотного поля ". В этом патенте предложен радиочастотный (RF) нагрев от 10 до 20 мегагерц (длина волны от 15 до 30 метров). Такие длины волн были намного длиннее, чем используемый резонатор, и, таким образом, использовали эффекты ближнего поля, а не электромагнитные волны. (Коммерческие микроволновые печи используют длину волны только на 1%.)
В сельском хозяйстве радиочастотный диэлектрический нагрев был широко протестирован и все чаще используется как способ уничтожения вредителей некоторых пищевых культур после сбора урожая, таких как грецкие орехи. в оболочке. Поскольку радиочастотное нагревание может нагревать пищу более равномерно, чем в случае микроволнового нагрева, высокочастотное нагревание является многообещающим способом быстрой обработки пищевых продуктов.
В медицине радиочастотное нагревание тканей тела, называемое диатермией, используется для мышечной терапии. Нагревание до более высоких температур, называемое гипертермической терапией, используется для уничтожения рака и опухолевой ткани.
ВЧ-нагрев используется в деревообрабатывающей промышленности для отверждения клеев, используемых при производстве фанеры, соединении швов и производстве мебели. Радиочастотный нагрев также можно использовать для ускорения сушки пиломатериалов.
Помимо нагрева пищи, микроволновые печи широко используются для нагрева во многих промышленных процессах. Промышленная микроволновая туннельная печь для нагрева пластмассовых деталей перед экструзией. СВЧ-нагрев, в отличие от ВЧ-нагрева, является подкатегорией диэлектрического нагрева на частотах выше 100 МГц, когда электромагнитная волна может запускаться из небольшого размера излучатель и направлен в космос к цели. Современные микроволновые печи используют электромагнитные волны с электрическими полями гораздо более высокой частоты и более короткой длины волны, чем радиочастотные нагреватели. Типичные бытовые микроволновые печи работают на частоте 2,45 ГГц, но также существуют печи 915 МГц. Это означает, что длины волн, используемые при микроволновом нагреве, составляют от 0,1 см до 10 см. Это обеспечивает высокоэффективный, но менее проникающий диэлектрический нагрев.
Хотя набор пластин в виде конденсатора можно использовать на микроволновых частотах, в них нет необходимости, поскольку микроволны уже присутствуют на дальности поле типа EM излучения, и их поглощение не требует такой же близости к маленькой антенне, как радиочастотное излучение. Таким образом, нагреваемый материал (неметалл) может быть просто помещен на пути волн, и нагрев происходит бесконтактным способом, который не требует емкостных проводящих пластин.
Объемный микроволновый нагрев представляет собой коммерчески доступный метод нагрева жидкостей, суспензий или твердых веществ в непрерывном потоке в промышленных масштабах. Объемный микроволновый нагрев имеет большую глубину проникновения, до 42 миллиметров (1,7 дюйма), что является равномерным проникновением через весь объем текущего продукта. Это выгодно в коммерческих применениях, где может быть достигнуто увеличение срока хранения с повышенным уничтожением микробов при температурах на 10–15 ° C (18–27 ° F) ниже, чем при использовании обычных систем нагрева.
Области применения микроволнового объемного нагрева включают:
При сушке пищевых продуктов диэлектрический нагрев обычно сочетается с обычным нагревом. Его можно использовать для предварительного нагрева корма для сушилки горячим воздухом. За счет быстрого повышения температуры корма и выхода влаги на поверхность можно сократить общее время сушки. Диэлектрический нагрев может применяться на полпути цикла сушки, когда пища входит в период падения скорости. Это может ускорить высыхание. Если диэлектрический нагрев применяется ближе к концу сушки горячим воздухом, это также может значительно сократить время сушки и, следовательно, повысить производительность сушилки. На более поздних стадиях сушки чаще используют диэлектрический нагрев. Одно из основных применений радиочастотного нагрева - это последующая выпечка печенья. Целью выпечки печенья является получение продукта нужного размера, формы, цвета и содержания влаги. В обычном духовом шкафу снижение влажности до желаемого уровня может занять большую часть общего времени выпечки. Применение радиочастотного нагрева может сократить время выпечки. Духовка настроена на производство печенья нужного размера, формы и цвета, но радиочастотный нагрев используется для удаления оставшейся влаги без чрезмерного нагрева и без того сухих частей печенья. Мощность духовки может быть увеличена более чем на 50% за счет использования радиочастотного нагрева. Последующее выпекание с помощью радиочастотного нагрева также применялось для завтрака и детского питания на основе хлопьев.
Качество пищи повышается и лучше сохраняется с помощью электромагнитной энергии, чем при обычном нагревании. Обычный нагрев приводит к большому перепаду температур и увеличению времени обработки, что может вызвать чрезмерную обработку поверхности пищевого продукта и ухудшить общее качество продукта. Электромагнитная энергия позволяет достичь более высоких температур обработки за более короткое время, поэтому сохраняется больше питательных и сенсорных свойств.
