книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

Рассмотрены проблемы СВЧ-нагрева, описаны нагревательные устройства и их элементы. Указаны особенности применения энер­ гии СВЧ для сушки мясопродуктов, зерна, картофеля и т. п., для целей стерилизации, приготовления блюд из пищевых полуфабри­ катов, а также для таких новых областей, как неразрушающие ме­ тоды контроля стройматериалов, обработка древесины, сваривание пластмасс, производство листовых материалов н др.

Редакция литературы по новой технике

Инд. 3-3-12

СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА ТОМ 2

ОТ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ

Книга «СВЧ-энергетика» в русском издании выходит в трех томах. В первом томе были рассмотрены вопросы генерирования, передачи и выпрямления СВ4-колеба­ ний. Второй том знакомит читателя с разнообразными применениями СВЧ-энергии, не исключая и ‘те случаи, когда она используется в сочетании с другими видами энергии (например, совместный нагрев СВЧ-энергией и горячим воздухом и т. п.).

В книге рассматриваются: физика процессов, проте­ кающих в материалах и продуктах под воздействием элек­ тромагнитных СВЧ-полей, особенности построения СВЧсистем, экономические аспекты и техника безопасности.

В описанных в книге применениях СВЧ-энергии в основном используются колебания дециметрового и деся­ тисантиметрового диапазонов длин волн. Глубина про­ никновения СВЧ-колебаний этих диапазонов в толщу обрабатываемого материала значительна. Однако было бы полезно задуматься и над использованием СВЧ-энер­ гии в таких процессах, где требуется лишь незначитель­ ная глубина проникновения. Для этих целей представля­ ют интерес колебания коротковолновой части сантиметро­ вого и миллиметрового диапазонов длин волн. В частно­ сти, энтузиастам освоения «молодого» вида энергии — энергии СВЧ-колебаний — можно было бы порекомендо­ вать постановку исследований по воздействию миллиме-

тровых волн на волосяной покров животных и оперение домашней птицы, по аитипаразитной обработке шерсти домашних животных и пушного зверя. Возможно также применение миллиметровых воли в процессах, связанных с изготовлением или спецобработкой тонкопленочных диэлектриков (с подложкой и без нее), с внедрением тон­ ких металлических покрытий или включений в диэлектри­ ческую основу и т. п. Иными словами, существует еще многомалоисследованных или вовсе «нетронутых» обла­ стей, где СВЧ-эиергия (в различных частотных диапазо­ нах) могла бы найти то или иное применение.

Нумерация разделов тома 2 та же, что и тома 1. Помимо литературы, на которую делаются ссылки в

тексте, читатель может познакомиться с некоторыми осо­ бенностями промышленного применения СВЧ-энергии в работах Харвея А. Ф. «Техника сверхвысоких частот», перевод с английского, изд-во «Советское радио», т. II, 1965, и Пюшнера Г. «Нагрев энергией сверхвысоких час­ тот», перевод с английского, изд-во «Энергия», 1967.

Перевод тома 2 выполнен Э. Я* Пастроном (разд. 5.1.1—5.1.3, 5.1.5—5.1 Л6, 5.1.20) и В. Г. Алыбиным (разд. 5.1.4, 5.1.17—5.1.19).

Э . Шлифер

Глава 5

ПРИМЕНЕНИЯ

5. 1. НАГРЕВ ЭНЕРГИЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

5.1.1. ВВЕДЕНИЕ Де к а р о, Кр э п у ч е т е

I. Применения в пищевой промышленности

Обработка сверхвысокой частотой пищевых продуктов и обработка непищевых материалов имеют ряд общих черт, в особенности, когда вопрос касается электронной части оборудования, но между ними есть и существенные различия. Во многих случаях непищевые материалы име­ ют фиксированные и однородные размеры; например, так обстоит дело при использовании СВЧ-нагрева для скле­ ивания фанеры, сушки шпона или бумаги. Пищевые про­ дукты, напротив, могут быть совершенно различными как по форме, так и по химическому составу, сравните хотя бы креветку, шейку рака и часть тушки какой-либо до­ машней птицы. Ввиду этого может потребоваться проведе­ ние предварительной сортировки продуктов по размерам, которая позволит уменьшить возможность недогрева или перегрева при СВЧ-обработке. Такая сортировка не долж­ на вызвать трудностей на предприятиях пищевой про­ мышленности, поскольку подобные операции хорошо зна­ комы персоналу.

Изменение размеров пищевых продуктов в процессе обработки не является чем-то необычным; так, при вы­ печке хлеба существенно меняется объем, а значит, и плот­ ность продукта. Во время обработки обычно сильно ме­ няются диэлектрические свойства материала. Например, в процессе обезвоживания изделие, являющееся вначале хорошей нагрузкой, постепенно тер>яет это свое качество. Чтобы компенсировать эти изменения, приходится ме­

нять уровень входной мощности. Еще более резкие изме­ нения диэлектрических свойств наблюдаются при размо­ раживании пищевых продуктов, при котором они перехо­ дят из состояния почти полной прозрачности для энергии СВЧ в состояние относительной непрозрачности. Во всех таких случаях в конструкции нагревательных установок нужно предусматривать компенсацию подобных измене­ ний свойств. По-видимому, такую компенсацию проще всего молено осуществить в тех установках, в которых рас­ пределение энергии можно профилировать, т. е. где раз­ личные секции установки могут работать при разных уров­ нях мощности. Но при конструировании СВЧ-печей для групповой обработки пищевых продуктов приходится в лучшем случае избирать компромиссный вариант и снаб­ жать такие печи сравнительно сложными инструкциями по их использованию для размораживания, приготовле­ ния или подогрева разнообразных пищевых продуктов. Первые два раздела книги посвящены описанию СВЧ-пе­ чей, их электрической конструкции и проблеме преобра­ зования СВЧ-энергий в тепловую энергию.

Если для ускорения процесса сублимационной сушки используется энергия СВЧ, то приходится разрешать труд­ ности, связанные с тем, что процесс ведется при очень низком давлении. При типичном для этого процесса давле­ нии легко возникает коронный разряд, особенно когда продукт высыхает и его свойства как СВЧ-нагрузки ухуд­ шаются. Данный процесс имеет для пищевой промышлен­ ности очень большое значение, и поэтому значительное место в книге уделяется описанию этого процесса и во­ просам борьбы с коронным разрядом.

Несколько страниц посвящено операции окончатель­ ной СВЧ-сушки ломтиков хрустящего картофеля. Этот сектор пищевой промышленности заинтересован в установке соответствующего оборудований общей действу­ ющей мощностью около 800 кет. Один из специалистов

оценивает потенциальный спрос на такое оборудование мощностью 10 000 кет, но можно полагать, что и эта циф­

ра окажется заниженной. В данной операции энергия СВЧ используется для обработки сравнительно плохой нагрузки, однако преимущества, которые получает изго­ товитель, настолько существенны, что операция может

9

стать неотъемлемым элементом технологического процесса. Кроме этого применения в настоящее время в пищевой промышленности СВЧ-энергия используется только в не­ прерывном процессе приготовления домашней птицы в паровой среде. В этом процессе СВЧ-установка мощно­ стью 130 квпг представляет собой пример реализации мно­

гогенераторного принципа. В разделе, посвященном СВЧ-печам, данная установка сравнивается с другими, каждаяд из которых питается только от одного мощногогенератора. Разумное использование энергии СВЧ (во многих случаях в сочетании с другими формами тепловой энергии) может оказаться выгодным в целом ряде других процессов обработки пищевых продуктов. И хотя для на­ чала сделано уже довольно много, возможности примене­ ния энергии СВЧ в пищевой промышленности поистине неограничены. В последующих разделах вниманию чита­ теля предлагается много новых примеров применения СВЧ-нагрева.

Н. Обработка материалов

СВЧ-нагрев быстро становится тем средством, которое позволяет создавать новые технологические методы и про­ цессы. По мере того как расходы, связанные с применени­ ем СВЧ-нагрева, становятся доступными все более широ­ кому кругу потребителей, данный метод обработки полу­ чает все большее распространение. Пределы целесообраз­ ного применения СВЧ-нагрева обусловлены действием ря­ да экономических показателей, среди которых можно наз­ вать : 1) расходы, отнесенные к 1 кг обработанной про­

дукции; 2) наличие особых преимуществ, таких, как мгно­ венный управляемый нагрев или дифференциальный наг­ рев; 3) экономия площадей, отводимых для хранения, или оборудования, вытекающая из значительного сокра­ щения цикла термообработки; 4) уменьшение стоимости сырьевых материалов при том же качестве продукции; 5) уменьшение усушки и (или) потерь в процессе обработ­ ки и 6) более высокое качество получаемой продукции.

На основании полных эксплуатационных расходов, в которые входят амортизационные отчисления на перво­ начальные капиталовложения, стоимость замены и ремон­ та, считается, что при расходе на обработку изделий 1, 1

долл, на 1 кг продукции обработка энергией СВЧ может

быть экономически оправданной. Эту цифру, разумеется, нельзя считать жестким пределом — упоминавшиеся вы­ ше другие факторы могут изменить ее как в ту, так и в другую сторону. Подробно описанные в книге специаль­ ные случаи применений наилучшим образом иллюстрируют_значение этих дополнительных факторов.

) Неметаллические материалы полупрозрачны для СВЧэнергии. Поля СВЧ проникают в такие материалы на зна­ чительную глубину, которая зависит от их свойств [11. Взаимодействуя со средой на атомном и молекулярном уровне, эти поля влияют на движение электронов; ионы из-за своей большой массы не в состоянии взаимодей­ ствовать с полем СВЧ. Электроны в таких материалах дви­ жутся более или менее свободно в зависимости от значений диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлек­ трических потерь. Движение электронов, связанное с диэлектрической проницаемостью, носит упругий харак­ тер и по существу приводит к запасанию энергии. Если движение электронов выходит за пределы упругости, ха­ рактерные для данного материала, то происходит преобра­ зование энергии СВЧ в тепло через гистерезис. В некото­ рых случаях, например в растворах солей, электроны сравнительно легко разрывают свои связи с молекулами и атомами и более или менее свободно движутся в среде. Потери при этом удобнее рассматривать как результат несовершенств в механизме проводимости.

Когда число электронов, участвующих в движении, настолько велико, что индуцированные при их движении поля по своей интенсивности приближаются к возбуждаю­ щим, результирующее поле становится равным нулю и СВЧ-энергия не может проникать внутрь материала. Этот «поверхностный эффект», конечно, по-разному проявляет­ ся у разных материалов и зависит от температуры и часто­ ты СВЧ-поля. Толщина поверхностного слоя (глубина, на которой напряженность поля составляет 37% ее зна­ чения на поверхности) при низких температурах (напри­ мер, замороженные пищевые продукты) обычно довольно велика, но сравнительно .мала при высоких температурах или в ионных растворах. Так, для мяса эта величина рав­ на 5 см, а для жира 1—2 см.