Техника и технология СВЧ

Содержание 

Введение                                                                                       

Особенности сверхвысокочастотной энергии                        

СВЧ-печи                                                                                     

СВЧ-размораживатели                                                             

СВЧ-сублиматоры                                                                     

Испытание сверхвысокочастотных бытовых приборов                

Заключение                                                                                 

Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Технологическая обработка самых различных объектов почти всегда включает в себя термообработку и в первую очередь нагрев или  сушку.

При традиционных способах нагрева и  сушки (конвективном, радиационным и контактном) нагрев объекта происходит по поверхности. Если теплопроводность объекта низка, что имеет место у диэлектриков, то термообработка объекта происходит медленно, с локальным перегревом поверхности нагрева, отчего возможно подгорание этой поверхности, возникновение внутренних механических напряжений. Все это в конечном счете может привести к выходу объекта из строя.

Сверхвысокочастотным  называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот. Электромагнитная волна, проникая в объект, взаимодействует с заряженными  частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте. Полное описание эффекта может быть получено лишь с помощью квантовой теории. Ограничимся  учетом макроскопических свойств материальной среды, описываемых классической физикой.

В зависимости  от расположения в них зарядов  молекулы диэлектрической среды  могут быть полярными и неполярными. В некоторых молекулах расположение зарядов столь симметрично, что  в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный  момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим  дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический  момент.

Под действием внешнего поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению  поля. Обычно различают электронную, ионную, дипольную и структурную  поляризации диэлектрика. На СВЧ  наибольший удельный вес имеют дипольная  и структурная поляризации, так  что выделение тепла возможно даже в отсутствии тока проводимости.

СВЧ устройства для технологических  целей работают на частотах, установленных  международными соглашениями. Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто  используются электромагнитные колебания  на частотах 433, 915, 2375 (2450) Мгц.

Если  вместо традиционных способов нагрева  использовать нагрев с помощью энергии  СВЧ колебаний, то из-за проникновения  волны в глубь объекта происходит преобразование этой энергии в тепло не на поверхности, а в его объеме, и потому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева по сравнению с традиционными способами нагрева. Последнее обстоятельство в ряде случаев приводит к улучшению качества изделия.

СВЧ термообработка обладает рядом других преимуществ. Так, отсутствие традиционного  теплоносителя обеспечивает стерильность процесса и безинерционность регулирования нагревом. Изменяя частоту, можно добиться нагрева различных компонентов объекта. СВЧ электротермические установки занимают площадь меньшую, чем аналогичные установки с традиционным энергоприводом, и оказывают меньшее вредное воздействие на окружающую среду при лучших условиях труда обслуживающего персонала.  
 
 

Особенности сверхвысокочастотной энергии 

Сверхвысокочастотная (СВЧ) энергия, используемая для нагрева  различных веществ, может быть применена  для приготовления пищи, сушки  белья, размораживания продуктов и  в других бытовых устройствах, где  необходима тепловая энергия. Однако широкое  распространение СВЧ-энергия получила только в технологии приготовлении пищи, что связано с особенностями физического процесса нагрева СВЧ-полей. Под действием переменного поля в веществе возникает поляризация, т. е. направленное перемещение связанных электрических зарядов. Для веществ, в состав которых входит вода, главным видом поляризации является дипольная, вызванная несимметрией расположения атомов водорода относительно атома кислорода. Поляризация молекул со сверхвысокой частотой вызывает трение между ними с выделением теплоты, которая тем больше, чем выше частота f и напряженность Е поля. Удельная тепловая энергия, выделяемая веществом,  (Вт/см3),

P = 0,566ε'tgδfE210-12,

где ε ' — диэлектрическая проницаемость.

При пересечении СВЧ-полем проводника возникает поверхностный эффект, заключающийся в том, что движение носителей тока вытесняется к поверхности. Чем больше частота, тем больше проявляется действие поверхностного эффекта. За глубину проникновения принимают глубину, на которой напряженность поля уменьшается в е раз (е — основание натуральных логарифмов).

Глубина проникновения электромагнитного  поля в вещество уменьшается с  увеличением е', tg б, f, а выделяемая тепловая энергия повышается. Исходя из этого рабочая частота для СВЧ-приборов должна быть выбрана из компромиссных соображений. В настоящее время решением Международной комиссии по радиочастотам для бытовых СВЧ-приборов выделена частота 2450 МГц.

СВЧ-нагрев по сравнению с традиционными способами нагрева обладает следующими преимуществами.

При СВЧ-нагреве генерация теплоты происходит внутри самого нагревательного продукта. Если при тепловой обработке продуктов традиционными способами расходуется теплота на нагрев посуды и окружающей среды, то в СВЧ-приборах почти вся теплота идет на нагрев продуктов, а посуда нагревается незначительно в результате получения теплоты от горячего продукта. Таким образом, непроизводительные потери теплоты значительно снижаются.

2.Продолжительность  тепловой  обработки  продуктов   СВЧ-энергией значительно сокращается.

За  счет сокращения времени тепловой обработки  СВЧ-энергией снижаются потери массы продуктов на 10—30 % при сохранении витаминов, органических и минеральных веществ, естественного цвета и вкусовых качеств.

4.При  применении СВЧ-приборов в быту снижаются затраты электроэнергии (на 50—70 %) по сравнению с применением электроплит.

5.Простота  уборки рабочей камеры после  приготовления блюд обусловлена  тем, что во время тепловой  обработки продукты не подгорают. 

6.После  приготовления блюд меньше загрязненной  посуды, так как продукты  могут   подвергаться  тепловой  обработке   непосредственно в сервировочной  посуде.

Однако  при перечисленных преимуществах  СВЧ-приборы не могут полностью заменить традиционные приборы для приготовления пищи. Как правило, СВЧ-приборы являются хорошим дополнением к оборудованию кухни. Это объясняется тем, что получаемые при приготовлении на СВЧ-приборах блюда не имеют традиционного вида, а сохра­няют вид полуфабрикатов, который имеет продукт до тепловой обработки. Например, некоторые блюда привычны после обжаривания с аппетитной румяной корочкой, а получение ее в СВЧ-приборах затруднительно: необходимо применение специальных дополнительных устройств, которые, увеличивая на 50 % время и энергозатраты, повышают стоимость приготовления.

Сравнительно  высокая стоимость СВЧ-приборов по сравнению с традиционными электрическими и газовыми плитами существенно влияет на их приобретение и внедрение в быт.

СВЧ-печи

СВЧ-нагрев является одним из наиболее прогрессивных способов тепловой обработки продуктов в процессах размораживания, разогрева и приготовления готовых блюд. В связи с этим СВЧ-приборы завоевывают все большую популярность на мировых рынках.

Первые  СВЧ-печи бытового назначения появились в конце сороковых годов, а их массовое производство в наиболее развитых странах началось в шестидесятых годах. Большинство СВЧ-печей, выпускаемых за рубежом, составляют многорежимные модели, в которых один или два режима предусмотрены для размораживания продуктов.

СВЧ-размораживатели

Производство  и спрос на СВЧ-размораживатели обусловлены значительным увеличением производства и продажи замороженных продуктов в странах Западной Европы, Японии и США. Например, в США производство замороженных продуктов на душу населения еще в период 1975—1980 гг. выросло на 19,7 %, а в Швеции на 44,8%. Применявшиеся традиционные способы размораживания воздухом и проточной водой стали неэффективны, занимали много времени и не обеспечивали сохранность питательных веществ в продуктах. Это стимулировало расширение производства и продажи СВЧ-размораживателей.

Размораживание  продуктов в СВЧ-поле происходит значительно быстрее благодаря их объемному нагреву, при этом питательная ценность продуктов сохраняется лучше. Особенностью размораживания, происходящего в СВЧ-поле, является резкое изменение диэлектрических свойств пищевых продуктов при переходе из замороженного в размороженное состояние. Однако это приводит к некоторым техническим затруднениям при практическом применении метода. В замороженных продуктах диэлектрическая проницаемость и фактор потерь приближается к параметрам льда, а после размораживания они резко увеличиваются. Вследствие этого оттаявшие участки продуктов

быстро  перегреваются и процесс становится неуправляемым.

В результате такой обработки может оказаться, что отдельные части продуктов  будут готовы к употреблению, а  другие останутся еще не размороженными. Такое положение является следствием неравномерной тепловой обработки  продуктов в рабочих камерах  СВЧ-приборов, так как процесс размораживания происходит в поле стоячей волны. Поэтому равномерный нагрев продуктов, особенно при их размораживании, является основной проблемой, стоящей перед проектировщиками СВЧ-приборов.

Для равномерного нагрева продукт механически  перемещают внутри камеры, помещая  его на подставку, которая совершает  вращательное, поступательное или вращательно-поступательное движение. Другим способом для равномерного нагрева продукта является возмущение картины электромагнитного поля внутри камеры с помощью использования  специальных металлических отражателей  — стирреров, создающих фазовые сдвиги векторов электрических полей и тем самым способствующих более равномерному нагреву. Эти способы, повышающие равномерность нагрева при тепловой обработке, не решают указанной проблемы при размораживании продуктов. Проблема равномерного на­грева, особенно при размораживании, разрешена комплексным применением указанных способов, путем так называемого «автоматического цикла размораживания» совместно со стиррером и вращающейся подставкой.

«Автоматический цикл размораживания» предусматривает  периодический режим работы СВЧ-генератора на более низком уровне выходной мощности. Периодичность работы СВЧ-генератора составляет 20—40 с. Паузы между кратковременной. работой генератора служат для выравнивания температуры внутри нагреваемого продукта путем передачи тепла нагретых участков в менее нагретые.

Исследования, проведенные отечественными и зарубежными  специалистами, позволяют сделать  следующие выводы по СВЧ-разморажи-ванию:

по  биологической, ценности мясо,  прошедшее  СВЧ-обработку, практически не  отличается  от продукта,  размораживание  которого получено традиционным путем;

по  органолептическим свойствам рыба, размороженная СВЧ-спс собом, лучше рыбы, размороженной традиционным способом.

Влияние СВЧ-обработки на пищевые продукты, в том числе и н| витамины, является предметом достаточно сложных исследований. Так, проблема использования электромагнитных СВЧ-печей для размораживания овощей и фруктов, подвергнутых низкотемпературному замораживанию, недостаточно изучена и ограниченно освещена в литературе. Установлено, что размораживание в поле СВЧ-энергии приводит к меньшим потерям неорганических веществ. При традиционном способе размораживания часть минеральных веществ теряется вместе с вытекающей влагой. При СВЧ-размораживании потери влаги меньше и, как следствие, меньше потери неорганических веществ.

СВЧ-сублиматоры

СВЧ-сублиматоры считаются одним из перспективных видов бытовых приборов. Сублимированные продукты сохраняют не только питательные вещества гораздо лучше, чем сушеные или термообработан-ные, но и присущую им форму, цвет, запах. Упакованные в полиэтиленовую тару, сублимированные продукты могут храниться несколько лет в обычных условиях. Для восстановления сублимированного продукта достаточно его увлажнить, опустив в воду.