1  Металлическая трубка, корпус; 2  герметизирующие, электро-теплоизолированые втулки; 3  наполнитель  корундовый песок;

4  Электроконтакты.

Расчёт электронагревательных элементов проводят исходя из заданной мощности и напряжения в сети. Зная мощность и напряжение, находят ток, а затем сопротивление, определяя длину и диаметр проволоки. Исходя из условия безопасности и надежности, находят ток, при котором проволока не плавится при работе.

Преимущества:

-электробезопасность;

-герметичность;

-возможность создавать нагреватели сложной конфигурации;

-возможность использования в жидкой среде.

Недостатки:

-при использовании в агрессивных средах необходимо покрывать корпус (трубку) изолирующим материалами.

4.2. Свч нагрев и микроволновые (свч) печи

Сверхвысокочастотная (СВЧ) энергия, используемая для нагрева различных веществ, может быть применена для приготовления пищи, сушки белья, размораживания продуктов и т.д. Однако широкое распространение СВЧ энергия получила только в технологии приготовления пищи, что связано с особенностями физического процесса нагрева СВЧ полей.

Если в 40-х  50-х годах электроника СВЧ в основном служила потребностям радиолокации и связи, то в последние годы она все шире применяется в быту и во многих отраслях хозяйства, ускоряя научно-технический прогресс, повышая эффективность и качество производства.

Физические основы СВЧ нагрева заключаются в том, что под действием переменного электромагнитного 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 несимметричным расположением атомов водорода относительно атома кислорода. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей близка к 2, в то время как для воды она равна примерно 80. Сущность дипольной поляризации состоит в повороте диполей в направлении электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля молекулы полярного диэлектрика, находящиеся в хаотичном тепловом движении, ориентированы произвольным образом (рис. 4.2 а) и какое-либо выделенное направление отсутствует. Ситуация изменится, если диэлектрик поместить в электрическое поле. Электростатические силы будут стремиться развернуть диполи вдоль силовых линий. В результате дипольные молекулы частично ориентируются вдоль поля, причем степень их ориентации будет зависеть от напряженности приложенного поля (рис. 4.2 б).

Поляризация молекул со сверхвысокой частотой вызывает трение между ними с выделением теплоты, которая тем больше, чем выше частота и напряженность поля. Глубина проникновения электромагнитного поля в вещество уменьшается с увеличением частоты, а выделяемая тепловая энергия повышается. Исходя из этого, рабочая частота для СВЧ приборов выбирается из компромиссных соображений.

При расчетах глубины проникновения электромагнитной энергии в продукт определяют расстояние , на протяжении которого квадрат амплитуды напряженности электрического поля уменьшается в е раз (т.е. энергия ослабевает на 37%) по приближенной формуле

, (4.6)

где: относительная диэлектрическая проницаемость материала (для воды =80, для большинства пищевых продуктов =30  60, для упаковочных материалов =2  2,2); тангенс угла диэлектрических потерь (для большинства пищевых продуктов = 0,25 0,35).

В настоящее время решением международной комиссии по радиочастотам для бытовых СВЧ приборов выделена частота f= 2450 МГц [10]. При этом глубина проникновения СВЧэнергии составляет для большинства продуктов 10  15 мм (для жира свиного до 90 мм).

П оявлению новых областей применения мощной СВЧ электроники способствует ряд специфических свойств электромагнитных колебаний этого диапазона частот, которые позволяют создать неосуществимые ранее технологические процессы или значительно их улучшить. К ним относятся, например: создание сверхчистой плазмы с широким интервалом температур; возможность серийного изготовления простых по конструкции и удобных в эксплуатации мощных генераторов СВЧ энергии, с помощью которых могут осуществляться полимеризация и упрочнение различных изделий и материалов, в частности шин и лакокрасочных покрытий, упрочнение металлов, стабилизация параметров полупроводников и т.д.; все более широкое применение получают нагрев и сушка с помощью СВЧ различных материалов, в частности приготовление пищи, пастеризация молока и т.п.

В подавляющем большинстве случаев нагрев каких-либо физических тел производится путем передачи тепла снаружи во внутрь за счет теплопроводности.

На СВЧ при рациональном подборе частоты колебаний и параметров камер, где происходит преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение тепла по объему тела. Эффективность преобразования энергии электрического поля в тепло возрастает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату напряженности электрического поля. При этом следует отметить простоту подачи СВЧ энергии практически к любому участку нагреваемого тела.

Важное преимущество СВЧ нагрева  тепловая безинерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.

Достоинством СВЧ нагрева является также высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.

Важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от частоты излучения f, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg δ как функции частоты излучения f или длины волны λ . При этом в многокомпонентной смеси диэлектриков будут нагреваться только те части, где высокий tg δ.

Мощность излучения определяется формулой

, (4.7)

где Е напряженность электрического поля, В/см.

При равномерном внешнем нагреве передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад) от поверхности в глубину материала, причем тем больший, чем меньше теплопроводность. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева поверхностных слоев обрабатываемого материала. Примерами таких процессов является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п. С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов.

Если при нагреве газовым пламенем или с помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, то СВЧ энергию можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются  сверхчистый нагрев. Кроме того, помещая нагреваемый материал в вакуум или инертный газ, можно устранить окисление его поверхности. Загрязнения от диэлектрика, через который подводится СВЧ энергия, весьма малы, т.к. в случае малых потерь даже при пропускании большой СВЧ мощности этот диэлектрик остается практически холодным.

При нагреве с целью сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как, например, дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность  саморегулирующийся нагрев.

В последние годы ведущие фирмы наладили массовый выпуск бытовых плит, предназначенных для квартир и коттеджей. Они представляют собой комбинацию обычной трех-четырехкомфорочной электроплиты с СВЧ печью. СВЧ печь расположена как духовка под электроплитой или же над ней в виде шкафчика.

При широком использовании СВЧ печей в быту получает быстрое развитие и индустрия приготовления замороженных порционных блюд специально предназначенных для быстрого оттаивания и разогрева в СВЧ печах.

СВЧ нагрев по сравнению с традиционными способами нагрева обладает следующими преимуществами:

• генерация теплоты происходит внутри самого нагревающегося продукта. Если при тепловой обработке продуктов традиционными способами теплота расходуется 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 непроизвольные потери теплоты значительно снижаются (на 50  70% по сравнению с применением электроплит);

• продолжительность тепловой обработки продуктов значительно сокращается;

• за счет сокращения времени тепловой обработки продуктов снижаются потери массы продуктов на 10  30 % при сохранении витаминов, органических и минеральных веществ, естественного цвета и вкусовых качеств;

• простота уборки рабочей камеры после приготовления блюд обусловлена тем, что во время тепловой обработки продукты не подгорают;

• после приготовления блюд остается 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, они 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, то есть такой вид, который был у продукта до тепловой обработки. Например, некоторые блюда после обжаривания имеют аппетитную румяную корочку, а получение ее в СВЧ приборах затруднительно: необходимо применение специальных дополнительных устройств.

Главная особенность (а может быть, и проблема) микроволновой кухни состоит в том, что СВЧ излучение воздействует на молекулы воды, которую, как известно из законов физики, при нормальных условиях нельзя нагреть до температуры свыше 100°C. Таким образом, непосредственно при помощи СВЧ излучения нам не удастся получить румяную поджаренную отбивную или, скажем, испечь пирог. Еще одно обстоятельство: микроволны достаточно свободно проникают в продукт (на глубину до 10 см) и равномерно его прогревают  в отличие от плит, где происходит в основном поверхностный нагрев. В результате блюдо, элементарно изготовляемое традиционным способом (например, на сковороде или в кастрюле), в СВЧ-печи может не получиться. Например, нельзя поджарить в микроволновке яичницу-глазунью так, чтобы желток остался жидким, нельзя сварить яйцо всмятку: оно чрезвычайно эффектно взорвется и распределится равномерным тонким слоем по стенкам камеры печи. Поэтому современные СВЧ печи комбинируются грилями (в виде ТЭНов или спиралей в кварцевых трубках) и турбоконвекторами, вентиляторами, обеспечивающими интенсивную конвекцию в камере печи. Комбинирование СВЧ и электронагрева позволяет при обработке продукта получить аппетитную румяную корочку. Внешний вид СВЧ печей представлен на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Внешний вид современных бытовых СВЧ печей

Наибольшее распространение получили микроволновые печи в быту и в малых и средних предприятиях общепита в сфере сервиса – в кафе, барах и т.д.