2.3. Установки нвч-нагрівання

Мікрохвильова техніка є специфічною галуззю радіоелектро­ніки, яка, у свою чергу, характеризується відносною складністю розробок і виробництва, вимагає високої концентрації наукового потенціалу і спеціалізованого виробництва.

Мікрохвильова техніка використовується в різних галузях народного господарства, а саме: у сільському – це переробна промисловість: сушіння зерна, плодів, овочів; обробка тютюну, чаю, комбікормів тощо; у харчовій – розморожування, бланшування, пастеризація продуктів, обробка рідинних і пастоподібних продуктів із збільшенням терміну їх зберігання; процеси екстракції, сушіння, сублімаційного сушіння; одержання нових видів харчових продуктів підвищеної якості із збільшеним терміном зберігання.

2.3.1. Класифікація

Основними перевагами використання устаткування з НВЧ-нагріванням порівняно з традиційним тепловим є економія часу й енергії; висока якість готових продуктів; екологічна чистота при переробці; супутні ефекти пастеризації і стерилізації продуктів; можливість одержання принципово нових страв.

Установки класифікуються з НВЧ-нагріванням залежно від:

– потужності (від 0,5 кВт до 8 кВт);

– продуктивності (від 5 кг/г до 200 кг/г і вище);

– вибірковості нагрівання (з високим тангенсом кута діелектрич­них втрат);

– рівномірності нагрівання (рівномірний розподіл тепла по всьому об’єму продуктів незалежно від їх розміру і теплопро­відності);

– високої частоти нагрівання (проникнення мікрохвильової енергії в продукти через захисну плівку, діелектричні оболонки вікна – без використання проміжних теплоносіїв);

– саморегуляції нагрівання (якщо частина продуктів висохла, нагрівання автоматично припиняється);

– високого коефіцієнта утворення мікрохвильової енергії;

– конструктивного виконання (вбудовані, настільні й підлогові);

– способу дії (періодичної, безперервної);

– технологічного призначення (розморожування, розігрівання, приготування, консервування, сушіння, комбінування).

2.3.2. Компонування і принцип дії

Основним елементом НВЧ-апаратів є генератор надвисоких частот (магнетрон), у якому електрична енергія постійного чи змін­ного стуму перетворюється в енергію електромагнітного поля надвисоких частот (рис. 2.17). Магнетрони мають високу потужність від 0,5 до декілька десятків кіловат і високий ККД. Це діод з особли­вою конструкцією анода. Анод виконано у вигляді мідного блока кільцевої форми, на внутрішньому боці якого розташована парна кількість щільних резонаторів, довжина яких дорівнює ¼ довжини хвилі. Оскільки змінний магнітний потік одного резонатора замикається через сусідні резонатори, то всі резонатори магнетрона зв’язані між собою у певному порядку мідними перемикачами – низками. Для підтримання теплового режиму зовнішня частина анода має оребрення. В одному з резонаторів вмонтовано петлю для виведення енергії коливання, що з’єднана з коаксіальною лінією, яка, у свою чергу, закрита герметичним ковпаком (ковпак виконано із прозорого матеріалу для НВЧ-поля). Виводи катодних ніжок знахо­дяться у скляних трубках. З боків анод закритий кришками, які разом з ним створюють вакуумний простір. Анод має високий позитивний потенціал, а катод – негативний. Оскільки анод є корпусом магнетро­на, то його заземлюють.

Рис. 2.17. Генератор енергії надвисоких частот – магнетрон:

1 – катодні ніжки; 2 – мідні перемикачі; 3 – резонатори; 4 – анод; 5 – петля зв’язку; 6 – коаксіальні лінії; 7 – захисний діелектричний ковпак; 8 – катод

Між анодом і катодом виникає електричне поле, силові лінії якого розташовані радіально. Вздовж осі катода діє магнітне поле, утворене спеціальним електромагнітом, який змушує електрони, що виходять із катода, відхилятися від радіального напряму і рухатися у просторі по складній спіральній траєкторії. Траєкторія руху електрона залежить від напруги магнітного поля і анодної напруги. У середови­щі взаємодії постійно існує електронна хмара, яка обертається навколо катода з постійною кутовою швидкістю. Коли електрони проходять поблизу щілинних зазорів резонаторів, то в них виникають імпульси наведеного струму і відбувається особисте затухання коливань. Зв’язані один з одним резонатори є складною коливальною системою.

Геометричні параметри магнетронів, параметри електричного і магнітного полів вибирають так, щоб електрони, взаємодіючи зі змінним електричним полем, яке потрапляє в зазори резонатора, віддавали цьому високочастотному електричному полю резонатора частину своєї енергії, отриманої внаслідок прискорення постійним електричним полем, доданого між катодом і анодом. Енергія, яка виникає в системі резонатора за допомогою індуктивної петлі зв’язку і коаксіальної лінії, подається до зовнішнього наванта­ження.

Нині у промисловості випускаються НВЧ-апарати з комбінова­ним способом нагрівання і можливістю здійснення різних способів обробки продуктів харчування (розморожування, варіння, смаження, випікання тощо).

Принцип роботи НВЧ-апаратів незалежно від їх конструктивних особливостей однаковий, а саме: магнетрон генерує електромагнітну енергію, яка передається по хвилевідводу в робочу камеру. На діелектрик, що знаходиться в камері, діє електромагнітне поле, і він нагрівається. Залежно від виду кулінарної обробки (смаження, варіння, випікання) додатково вмикають елементи регулювання (гриль, комбі, випікання тощо). Дисплей і кнопки регулювання розташовані на передній панелі апарата (рис. 2.18).

а

б

в

Рис. 2.18. НВЧ-апарат:

а –загальний вигляд; б – схема; в – панель управління:

1 – вікно для виходу мікрохвиль; 2 – вихід для гарячого повітря; 3 – термоелементи гриля; 4 – жарильна шафа; 5 – дверцята; 6 – панель управління; 7 – скло (захищене від проникнення мікрохвиль); 8 – прокладка для ущільнення; 9 – запобіжне блокування дверцят; 10 – дисплей; 11 – гриль; 12 – комбі; 13 – кнопка продовження часу приготування; 14 – випікання; 15 – термодим; 16 – програмування заданого процесу; 17 – НВЧ (вибір ступеня нагрівання); 18 – розморожування; 19 – вмикання і вимикання; 20 – регулювання ваги, часу і температури; 21 – таймер

Практика використання апаратів з НВЧ-нагріванням дозволяє зменшити порівняно з традиційними методами:

• час обробки продуктів у десять разів;

• час технологічних циклів у 20–65 разів;

• витрати маси сировини від 3–10% до 0,5%;

• виробничі технологічні площі у 3–5 разів;

• обслуговуючий персонал на 20–25%;

• витрати електроенергії на 25–50%;

• площу, об’єм і вагу промислового устаткування у 2–4 рази.

Апарати з НВЧ-нагріванням дозволяють збільшити макси­мальну продуктивність на 20–50%.