Установки высокочастотного нагрева диэлектриков

Применение сверхвысоких частот (СВЧ) для нагрева диэлектри­ков позволяет получать достаточно высокие удельные мощности при сниженных значениях напряженности электрического поля. Ограничения на напряженность поля чаще всего бывают связаны со свойствами нагреваемого материала или с технологическими особенностями нагрева.

Низкую электрическую прочность имеют все влажные диэлек­трики, и особенно пищевые продукты: мясо, рыба, картофель, овощи. Для тепловой обработки этих продуктов используются ча­стоты 433, 915 и 2375 МГц, относящиеся к дециметровому диапазону длин электромагнитных волн.

Электромагнитные поля сверхвысоких частот не удовлетворяют условию квазистационарности и носят ярко выраженный волновой характер. Для нагрева тело подвергают облучению свободно па­дающей электромагнитной волной или воздействию поля бегущей либо стоячей электромагнитной волны. В роли нагревательных устройств выступают уже не рабочие конденсаторы, а — соответственно указанным способам нагрева — антенны, волноводы или объемные резонаторы.

Нагрев непосредственным облучением используется относи­тельно редко. Известны случаи применения СВЧ-излучения с по­мощью рупорных антенн для дробления горных пород и раскалы­вания бетона, уничтожения домового гриба в кирпичной кладке и древесного точильщика в древесине, нагрева участков тела при физиотерапии (СВЧ-диатермия).

Нагрев в поле бегущей волны целесообразно использовать в уста­новках непрерывного действия. Простейшее нагревательное устрой­ство с бегущей волной (рис. 19) состоит из магнетронного генерато­ра МГ, волновода прямоугольного сечения 1 и оконечной нагрузки 2. Нагреваемый материал имеет форму тонкого листа, который про­тягивается через щель 3 в широкой стенке волновода. Установки такого типа применяются для сушки бумаги или ткани.

Э лектромагнитная волна в прямоугольном волноводе распро­страняется только тогда, когда размер широкой стенки волновода больше половины длины волны в свободном пространстве (а>λ/2). Если λ>2а, то волна вдоль оси волновода затухает по аперио­дическому закону. Равенство λ=2а соответствует самой низкой критической частоте волновода — для волны типа Н₁₀ (иначе ТЕ₁₀)

Подбирая отношение размеров сечения волновода, можно до­биться распространения по волноводу только волны Н₁₀. Для этого при b= а/2 длина волны должна лежать в диапазоне а< λ <2а. Волны высших типов в таком волноводе апериодически затухают.

Простейшая нагревательная установка, показанная на рис. 19, не обеспечивает равномерного нагрева по ширине листа, так как поглощение мощности приводит к спаду напряженности электри­ческого поля по длине волновода. Для ликвидации неравномерно­сти нагрева в реальных установках секции волновода соединяются последовательно в плоский змеевик и материал проходит последовательно все секции. В такой конструкции бегущая волна прохо­дит поперек нагреваемого листа сначала в одном направлении, а затем в противоположном. Этим и достигается выравнивание на­грева, если только число секций четное.

В конце волноводного тракта помещается поглощающая на­грузка, водяная или изготовленная из графнто-цементной смеси. Нагрузка служит для поглощения энергии, не выделившейся в на­греваемом материале. Отражение энергии от конца волновода не­допустимо, так как приводит к возникновению стоячей волны и, следовательно, нарушает равномерность нагрева. Кроме того, от­раженная энергия нарушает режим работы генератора, может выз­вать перегрев магнетрона и выход его из строя.

Нагрев бегущей электромагнитной волной используется для тепловой обработки пищевых продуктов. Конструктивно такая установка представляет собой конвейерную систему с одним или несколькими магнетронами, рабочей камерой — волноводом и устройствами для ввода и вывода загрузки. Часто необходимую мощность конвейерной установки набирают из нескольких СВЧ-модулей мощностью 1,5 -10 кВт каждый.

Для установок мощностью более 10 кВт предпочтительно вы­брать более низкую частоту в СВЧ-диапазоне: 915 или 433 МГц, Это связано с тем, что размеры обрабатываемого изделия в таких установках сравнительно большие, чем и предопределяется выбор более длинных волн. Кроме того, с увеличением длины волны осла­бевает излучение и упрощается конструкция узлов ввода и вывода загрузки.

Н а рис. 20, а приведена схема конвейерной установки мощ­ностью 10 кВт, работающей на частоте 433 МГц. Обрабаты­ваемый продукт (7) в полипропиленовых контейнерах перемещается по цепному конвейеру внутри туннеля прямоугольного сечения (4) из полипропилена от входного устройства (3) через рабочую ка­меру (5) и выходное устройство (8). Звенья цепи выполнены из фторопласта. Циркуляция воздуха в камере создается вентилято­рами (6).

СВЧ-энергия от генера-тора (1) через устройство ввода энергии (2) направляется в зону нагрева со стороны подачи обрабатывае­мых изделии. С противоположной стороны размещается узел вы­вода непоглощенной энергии (10) и согласованная с системой ге­нератор — камера нагрузки (9), охлаждаемая водой. Подвод энер­гии со стороны входа изделии обеспечивает экспоненциальное сни­жение поглощаемой мощности вдоль волновода, характерное для бегущей волны. Такое снижение благоприятно сказывается на ре­жиме тепловой обработки пищевых продуктов: интенсивный нагрев в первый период тепловой обработки переходит в поддержание достигнутой температуры до выхода изделия из зоны нагрева.

Рабочая камера представляет собой волновод П-образного се­чения (рис. 20, б). По сравнению с прямоугольным волноводом такая форма сечения позволяет получать значительно более высо­кие напряженности электрического поля в зоне нагрева. Длина рабочей камеры 2 м, и состоит она из четырех одинаковых по длине и форме секций П-образного волновода. Напряженность поля в ре­жиме холостого хода 144 В/см. КПД рабочей камеры, рассчитан­ный для варианта нагрева воды в контейнерах, равен 88%.

Устройства ввода и вывода обрабатываемого продукта должны обеспечивать безопасную и эффективную работу установки. В рас­сматриваемой установке используются запредельные аттенюаторы, имеющие вид прямоугольных волноводов с размерами стенок, меньшими критических для данной частоты. При сечении аттенюа­тора 228*190 мм и затухании 70 дБ длина его должна быть не менее 1000 мм. Утечка энергии не превышает 2—3 мкВт/см² на расстоянии 150 мм от отверстия аттенюатора.

Принятые в России нормы утечки составляют 10 мкВт/см² при облучении в течение всего рабочего дня и 100 мкВт/см² при облу­чении в течение 2 ч. Эти нормы являются самыми низкими в мире и абсолютно безопасными для обслуживающего персонала.

Размеры сечения запредельных аттенюаторов для частот выше 433 МГц получаются слишком малыми. В этом случае подавление излучения из загрузочных отверстий рабочей камеры осущест­вляется реактивными фильтрами, имеющими вид четвертьволновых короткозамкнутых секций прямоугольного волновода, вмонтиро­ванных в широкую стенку рабочей камеры. Такие секции вносят в плоскость стенки большое реактивное сопротивление, которое отражает электромагнитные волны. Особо хорошие результаты дает сочетание четвертьволновых фильтров с преобразователем волны основного типа Н₁₀ в волны высших типов Н_nо.

Применение реактивных фильтров, расположенных у краев рабочей камеры, приводит к возникновению стоячих волн, и на­гревательные установки такого типа приближаются по структуре электромагнитного поля к установкам периодического действия, рабочая камера которых является объемным резонатором.

Большинство существующих СВЧ-установок для тепловой об­работки пищевых продуктов — это установки периодического дей­ствия известные под названиями «СВЧ-печь», «микроволновая печь» или «магнетронная кухня». Мощность этих установок 0.75—2 кВт, частота 2375 или 2450МГц в зависимости от приня­того в стране-изготовителе стандарта разрешенных частот. Рабо­чей камерой служит прямоугольной объемный резонатор, размеры которого, например для печи составляют 35х24х30 см (рис. 21).

Н а рис. 21 показано нагреваемое изделие (5), размещенное на подставке (3) внутри камеры {4). Загрузка камеры происходит через дверцу (8). Подвод СВЧ-энергии снизу от магнетрона (1), защищенного от загрязнений ограждением (3), и расположение диссектора (7) с электродвигателем (6) в верхней части камеры представляют собой один из многих вариантов компоновки основ­ных элементов СВЧ-печей.

В прямоугольном резонаторе возникают стоячие электромаг­нитные волны типа Н_тпр или Е_тпр. Картина поля этих волн та­кова, что вдоль каждого из трех размеров резонатора укладывается целое число полуволн.

Нагрев диэлектрика в поле стоячей волны происходит неравно­мерно из-за наличия максимумов и минимумов напряженности электрического поля. Размеры рабочей камеры следует выбирать таким образом, чтобы в ней возбуждалось возможно большее число типов колебаний. Тогда наложение стоячих волн различных типов приводит к образованию поля сложной структуры, в котором эк­стремумы электрического и магнитного полей выражены не столь ярко. Это благоприятно сказывается на равномерности нагрева.

Максимальные допу­стимые размеры рабочей камеры связаны технологическими огра­ничениями, из которых главным является мощность генератора СВЧ. По этой причине для возбуждения большего числа типов ко­лебаний используют дополнительные средства.

К таким средствам относятся подвижные отражатели (диссек­торы) и подвод СВЧ-энергии через несколько элементов связи. Если для возбуждения резонатора использовать два ввода СВЧ-энергии со сдвигом поляризации питающих волн на 90°, то число типов колебаний почти удваивается и равномерность результирую­щего поля оказывается достаточно высокой. Недостатки та­кого способа повышения равномерности поля заключаются в не­обходимости использования двух магнетронов, в сложности согла­сования и выравнивания нагрузки магнетронов.

Чаще всего в СВЧ-печах периодического действия используются диссекторы, представляющие собой металлические вертушки с не­сколькими лопастями (см. рис. 21). Частота вращения вертушки от 10 до 60 об/мин. Движение металлических поверхностей непре­рывно изменяет граничные условия в резонаторе, и последова­тельно друг за другом возникают новые типы колебаний. Структура электромагнитного поля в рабочей камере периодически изменяется, и это приводит к выравниванию энергии, выделяющейся в различ­ных точках объема камеры за время нагрева. Диссектор как бы перемешивает электромагнитное поле в резонаторе.

Дверца в рабочей камере, служащая для загрузки и выгрузки нагреваемых изделий, должна быть снабжена специальными уст­ройствами, препятствующими СВЧ-излучению. Так как всякая прорезь в стенке резонатора, прерывающая путь тока, является источником излучения, то дверца рабочей камеры должна иметь по всему периметру надежный электрический контакт из кнопок или пластинчатых пружин. Дальнейшее ослабление излучения достигается путем использования четвертьволновых дросселей и прокладок из поглощающего материала. В дверце может быть рас­положено окно из металлизированного стекла.

Установки СВЧ применяются для приготовления блюд из сы­рых продуктов или разогрева готовых блюд из замороженного со­стояния. Время тепловой обработки значительно сокращается по сравнению с традиционными методами за счет действия внутрен­них источников тепла. Уменьшение времени воздействия высоких температур способствует сохранению питательной ценности и улуч­шению вкусовых качеств продукта.

Особенно эффективно протекает процесс размораживания, так как теплопроводность замороженных продуктов уменьшается по мере оттаивания. При размораживании на воздухе оттаявший по­верхностный слой теплоизолирует внутренние слои продукта (мяса или рыбы), процесс затягивается, в результате чего продукт те­ряет часть влаги, минеральных солей и питательных веществ.

Тепловую обработку пищевых продуктов следует проводить в контейнерах из диэлектрика, не греющегося в электрическом поле СВЧ. Этому требованию удовлетворяют контейнеры из жаро­прочного стекла «пирекс», фарфора, полиэтилена, пропилена, фто­ропласта. Размеры кусков пищевых продуктов хотя бы в одном измерении не должны превосходить двух-трех значений глубины проникновения поля. Установлено, что загрузка рабочей камеры в форме низкого цилиндра, высота которого в 2—5 раз меньше диа­метра, наилучшим образом удовлетворяет условиям СВЧ-нагрева

Диэлектрические свойства пищевых продуктов могут быть са­мыми различными. Они зависят от влажности и меняются в тече­ние тепловой обработки. Например, значения ε' и tgδ при темпера­туре 20 °С для говядины 50 и 0,38, а для говяжьего жира 5 и 0,1 соответственно. Глубина проникновения поля при частоте 2375 МГц в говядину 1,5 см, а в жир — 18 см.

Процесс тепловой обработки пищевых продуктов протекает в два этапа. На первом этапе температура поднимается до 85—96 °С. На втором этапе мощность снижают до уровня, обеспечивающего стабилизацию достигнутой температуры, называемой температурой кулинарной готовности.

Для большинства пищевых продуктов скорость подъема темпе­ратуры ограничена значением 0,4—1 К/с. Более высокий темп на­грева может привести к разрушению внутренней структуры изде­лия из-за чрезмерно интенсивного парообразования.

Удельная теплоемкость основных пищевых продуктов — мяса, рыбы и овощей находится в интервале 3,4—4,2 кДж/(кг*К). Пола­гая скорость подъема температуры 0,5 К/с, удельную теплоемкость 4 кДж/(кг*К), а температуру нагрева 90 °С при начальной темпера­туре 20 °С, получаем время нагрева (90 — 20) : 0,5 = 140 с, а удель­ную мощность 4-0,5 = 2 кВт/кг. Такая удельная мощность позво­ляет находить оптимальную массу загрузки СВЧ-печи при задан­ной мощности генератора.

Второй этап тепловой обработки длится обычно от 2 до 5 мин, и его длительность уточняется экспериментально. За время второго этапа в пищевом продукте происходят необходимые структурные и биохимические превращения, а также частичное испарение влаги.

Главное достоинство СВЧ-нагрева заключается в равномерном выделении тепла по объему изделия. Это достоинство может иногда оказаться и недостатком: готовое кулинарное изделие имеет вкус вареного, а выпеченный хлеб не имеет корочки. Для получения вкуса и вида жареного или печеного пищевого продукта СВЧ-нагрев целесообразно сочетать с нагревом инфракрасным облучением.