Понятие об электромагнитном поле сверхвысокой частоты. Сущность свч-нагрева и ик-нагрева, их применение.

Работа электромагнитных аппаратов основана на преобразовании электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия подводится к поверхности продукта лучеиспусканием, теплопроводностью или конвекцией. К средним слоям продукта от поверхностных слоев продукта тепла происходит теплопроводностью.

Электромагнитное поле представляет совокупность электрического и магнитного полей, находящихся во взаимосвязи. Среди физических способ обработки различных тел и материалов, применяемых в пищевом производстве, различают следующие:

нагревание пищевых продуктов в электрическом поле сверхвысокой частоты;

нагревание пищевых продуктов инфракрасными лучами;

электродный нагрев пищевых продуктов;

индукционный нагрев металлической кухонной посуды с последующей передачей теплоты продукту.

Сверхвысокочастотный нагрев (СВЧ-нагрев) заключается в воздействии на пищевой продукт, обладающий диэлектрическими свойствами, внешнего электромагнитного поля сверхвысокой частоты (диапазон частот 103…3·103МГц).

СВЧ-нагрев основан на явлении поляризации. В диэлектрических средах значительная часть зарядов связана внутриатомными или внутримолекулярными силами. В зависимости от способности перемещаться в электрическом поле заряды подразделяются на свободные и связанные. Свободные заряды неограниченно перемещаются в электрическом поле, тогда как перемещение связанных зарядов ограничивается структурой атома или молекулы. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называются поляризацией.

Пищевые продукты относятся к диэлектрикам, у которых электрические заряды под действием электромагнитного поля не могут свободно перемещаться, а смещаются относительно друг друга или поворачиваются в пространстве. На перемещение заряженных частиц затрачивается энергия, которая превращается в теплоту. Чем выше частота электрического поля, тем большее количество теплоты выделяется в диэлектрике. Для пищевых продуктов основную роль в процессе поглощения энергии поля при диэлектрическом нагреве имеет дипольная поляризация (диполь – система из двух одинаковых по значению и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся один от другого на определенном расстоянии). В веществе, помещенном в электрическое поле СВЧ, возникают токи проводимости и токи смещения, в результате чего происходит рассеивание (потеря) энергии поля и выделение ее в виде тепла, т.е. нагрев вещества. Таким образом, при СВЧ-нагреве используется способность энергии электромагнитного поля концентрироваться в объеме материала, масса которого при этом интенсивно нагревается.

СВЧ-нагрев обладает ряд преимуществ:

1. значительно уменьшается продолжительность тепловой обработки (в 5-10 раз);

2. значительно уменьшается продолжительность размораживания (в 30-40 раз) при лучшем сохранении органолептических показателей и пищевой ценности;

3. обеспечивается лучшая сохранность биологически активных и питательных веществ;

4. улучшаются органолептические характеристики готовой продукции;

5. СВЧ-аппараты экологически безопасные и безинерционные.

К недостаткам СВЧ-нагрева относятся:

1. возможность получения только продукции, напоминающей вареную (температура поверхностных слоев продукта меньше, чем центральных из-за потерь теплоты с испаряющейся из продукта влагой, в результате чего корочка не образуется);

2. ухудшение внешнего вида готового продукта в связи с подсыханием внешней оболочки;

3. образование внутри продукта неравномерного температурного поля (из-за неоднородности пищевого продукта осуществляется селективное тепловое воздействие на различные ингредиенты);

4. возможно нарушение структуры продукта вследствие значительного давления паров в клетках продукта.

Под инфракрасным нагревом (ИК-нагрев) применяются коротковолновые излучения (длина волн 0,76-1000 мкм) инфракрасной области спектра. ИК-излучение – испускание кванта энергии в результате сложного взаимодействия колебательных и вращательных движений атомов и молекул, перехода электронов с одних энергетических уровней на другие.

Инфракрасная техника дает возможность применения технического приема переноса энергии излучением для тепловой обработки пищевых продуктов. Энергия, получаемая облучаемым телом, затрачивается на увеличение энергии колебания молекул облучаемого тела, т.е. повышает температуру. При этом поток энергии ИК-излучения обеспечивает образование объемного теплового эффекта в поверхностном слое, что обеспечивает значительный перегрев поверхности с образованием характерной корочки.

Источником излучения является твердое тело, температура которого доводится до нужного уровня в результате нагревания его электрическим током или сгорания газа. С помощью отражателя излучение собирается так, чтобы оно падало на обрабатываемое тело сосредоточенным (лучше всего параллельным) пучком.

Падающее на объект излучение частично отражается поверхностью, частично пропускается и частично поглощается материалом тела. При незначительном расстоянии от излучателя до обрабатываемого продукта излучение практически не поглощается воздухом; кроме того, отношение излучаемого потока к падающему на тело не зависит от материала рефлектора (коротковолновые излучения почти одинаково хорошо отражаются любыми полированными металлами). Форма отражателя, наоборот, сильно влияет на характер излучения, падающего на обрабатываемый объект.

Регулирование мощности одно и трех фазных электронагревательных аппаратов, расчеты за потребную электроэнергию.

В процессе тепловой обработки продуктов необходимо изменять температуру нагревательного элемента или количество выделяемого им тепла. Так, для быстрого доведения воды до кипения, разогрева жира до требуемой температуры или первоначального нагрева электротепловых аппаратов требуется подвод значительно большего тепла в единицу времени, чем для некоторых других видах тепловой обработки. Количество тепла Q, выделяемое электронагревательным элементом в единицу времени, в Дж/с (Вт) пропорционально его мощности.

Мощность нагревательных элементов: ,где

U – напряжение сети, В;

R – сопротивление нагревательных элементов, Ом.

Однофазные нагреватели в большинстве своем состоят из двух секций с одинаковым сопротивлением. Регулирование мощности осуществляется за счет различного соединения секций. Так как подводимое к электротепловому аппарату напряжение равно напряжению сети и практически остается постоянным, для регулирования мощности изменяют только сопротивление нагревателя. Регулирование мощности осуществляется автоматически или вручную с помощью пакетных и теплостойких кулачковых переключателей.

Для сильного нагрева теплового аппарата секции нагревательного элемента включают параллельно. При этом полное сопротивление нагревательного элемента составит: ,где

R – сопротивление одной секции, Ом.

Для среднего нагрева теплового аппарата включают одну секцию. При этом полное сопротивление нагревательного элемента будет равно сопротивлению одной секции: rсред=r Ом.

Для слабого нагрева теплового аппарата секции включают последовательно. При этом полное сопротивление нагревательного элемента будет равно сумме сопротивлений секций: rслаб=2r Ом.

Отношение потребляемой мощности на различных ступенях нагрева составит: Рсил :Рсред :Рслаб =2 : 1 : 1/2

Число нагревателей в трехфазных тепловых аппаратах принимают равным или кратным трем. Обычно в одном аппарате применяют секции одинакового сопротивления. Трехфазные тепловые аппараты можно включить в сеть с напряжением 3N~380 или 3N~220 В. В трехфазных электротепловых аппаратах применяется двухступенчатое (3 : 1, 6 : 1, 9 : 1) регулирование мощности. Если блок нагревателей состоит из трех секций, то для получения сильного нагрева при напряжении 220В электронагреватели включают в треугольник, а при напряжении 380В – в звезду.

Регулирование мощности аппаратов дает экономию электроэнергии, увеличивает срок их службы и позволяет вести технологический процесс тепловой обработки продуктов при оптимальных условиях, что повышает качество готовых изделий.