Диэлектрический нагрев

В микроволновой печи для приготовления пищи используется диэлектрический нагрев.

Диэлектрический нагрев , также известный как электронный нагрев , радиочастотный нагрев и высокочастотный нагрев , представляет собой процесс, в котором переменное электрическое поле радиочастоты (RF), радиоволны или микроволновое электромагнитное излучение нагревает диэлектрический материал. На более высоких частотах этот нагрев вызывается вращением молекулярного диполя внутри диэлектрика.

Механизм [ править ]

В этом разделе не процитировать любые источники . Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален . ( Июнь 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Молекулярное вращение происходит в материалах, содержащих полярные молекулы, обладающие электрическим дипольным моментом , в результате чего они выравниваются в электромагнитном поле . Если поле колеблется, как в электромагнитной волне или в быстро колеблющемся электрическом поле, эти молекулы непрерывно вращаются, выравниваясь с ним. Это называется дипольным вращением или дипольной поляризацией. По мере смены поля молекулы меняют направление. Вращающиеся молекулы толкают, притягивают и сталкиваются с другими молекулами (за счет электрических сил), распределяя энергию между соседними молекулами и атомами.в материале. Процесс передачи энергии от источника к образцу представляет собой форму радиационного нагрева.

Температура связана со средней кинетической энергией (энергией движения) атомов или молекул в материале, поэтому такое перемешивание молекул увеличивает температуру материала. Таким образом, вращение диполя - это механизм, с помощью которого энергия в виде электромагнитного излучения может повышать температуру объекта. Есть также много других механизмов, с помощью которых происходит это преобразование. ^[1]

Дипольное вращение - это механизм, обычно называемый диэлектрическим нагревом, и наиболее широко он наблюдается в микроволновой печи, где он наиболее эффективно работает с жидкой водой , а также, но в гораздо меньшей степени, с жирами и сахарами . Это связано с тем, что молекулы жиров и сахара гораздо менее полярны, чем молекулы воды, и, следовательно, меньше подвержены влиянию сил, создаваемых переменными электромагнитными полями. Вне приготовления пищи эффект обычно можно использовать для нагрева твердых тел, жидкостей или газов, если они содержат некоторые электрические диполи.

Диэлектрический нагрев включает нагрев электроизоляционных материалов за счет диэлектрических потерь . Изменяющееся электрическое поле в материале вызывает рассеивание энергии, поскольку молекулы пытаются выровняться с постоянно меняющимся электрическим полем. Это изменяющееся электрическое поле может быть вызвано электромагнитной волной, распространяющейся в свободном пространстве (как в микроволновой печи), или быстро меняющимся электрическим полем внутри конденсатора. В последнем случае нет свободно распространяющейся электромагнитной волны, и меняющееся электрическое поле можно рассматривать как аналог электрического компонента ближнего поля антенны.. В этом случае, хотя нагрев осуществляется за счет изменения электрического поля внутри емкостного резонатора на радиочастотах (RF), на самом деле радиоволны не генерируются и не поглощаются. В этом смысле эффект является прямым электрическим аналогом нагрева магнитной индукцией , который также является эффектом ближнего поля (таким образом, без радиоволн). ^{[ необходима цитата ]}

Частоты в диапазоне 10–100  МГц необходимы, чтобы вызвать нагрев диэлектрика, хотя более высокие частоты работают одинаково хорошо или лучше, а в некоторых материалах (особенно жидкостях) более низкие частоты также имеют значительный эффект нагрева, часто из-за более необычных механизмов. Например, в проводящих жидкостях, таких как соленая вода, ионное увлечение вызывает нагрев, так как заряженные ионы « тянутся » медленнее назад и вперед в жидкости под действием электрического поля, ударяя при этом молекулы жидкости и передавая кинетическую энергию на их, что в конечном итоге переводится в молекулярные колебания и, следовательно, в тепловую энергию. ^{[ необходима цитата ]}

Диэлектрический нагрев на низких частотах, как эффект ближнего поля, требует расстояния от электромагнитного излучателя до поглотителя менее 1/2 π ≈ 1/6длины волны. Таким образом, это контактный процесс или почти контактный процесс, поскольку он обычно помещает нагреваемый материал (обычно неметалл) между металлическими пластинами, заменяя диэлектрик в конденсаторе очень большой емкости.. Однако фактический электрический контакт не является необходимым для нагрева диэлектрика внутри конденсатора, поскольку электрические поля, которые образуются внутри конденсатора, подверженного действию напряжения, не требуют электрического контакта пластин конденсатора с (непроводящим) диэлектрическим материалом между пластинами. . Поскольку электрические поля более низкой частоты проникают в непроводящие материалы гораздо глубже, чем микроволны, нагревательные карманы с водой и организмы глубоко внутри сухих материалов, таких как дерево, его можно использовать для быстрого нагрева и приготовления многих неэлектропроводных продуктов питания и сельскохозяйственных предметов, поэтому до тех пор, пока они не помещаются между пластинами конденсатора. ^{[ необходима цитата ]}

На очень высоких частотах длина волны электромагнитного поля становится короче, чем расстояние между металлическими стенками нагревательной полости или чем размеры самих стенок. Это случай внутри микроволновой печи . В таких случаях образуются обычные электромагнитные волны дальнего поля (резонатор больше не действует как чистый конденсатор, а скорее как антенна) и поглощаются, вызывая нагрев, но механизм тепловыделения с дипольным вращением остается прежним. Однако микроволны неэффективны при возникновении тепловых эффектов низкочастотных полей, которые зависят от более медленного движения молекул, например, вызванного ионным увлечением. ^{[ необходима цитата ]}

Мощность [ править ]

Диэлектрический нагрев следует отличать от джоулева нагрева проводящей среды, который вызывается индуцированными электрическими токами в среде. ^[2] Для диэлектрического нагрева плотность генерируемой мощности на единицу объема определяется как: ^{[ необходима ссылка ]}

${\displaystyle Q=\omega \cdot \varepsilon _{\mathrm {r} }''\cdot \varepsilon _{0}\cdot E^{2},}$

где ω - угловая частота возбуждающего излучения, ε _r ″ - мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости поглощающего материала, ε ₀ - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, а E - напряженность электрического поля . Мнимая часть (зависящей от частоты) относительной диэлектрической проницаемости является мерой способности диэлектрического материала преобразовывать энергию электромагнитного поля в тепло. ^{[ необходима цитата ]}

Если проводимость материала σ мала или частота высокая, такая, что σ ≪ ωε (при ε = ε _r ″ · ε ₀ ), то диэлектрический нагрев является доминирующим механизмом потери энергии из электромагнитного поля в средний. ^{[ необходима цитата ]}

Проникновение [ править ]

Микроволновые частоты проникают через проводящие материалы, включая полутвердые вещества, такие как мясо и живые ткани. Проникновение по существу прекращается там, где вся проникающая микроволновая энергия в ткани преобразуется в тепло. Микроволновые печи, используемые для нагрева пищи, не настроены на частоту, обеспечивающую оптимальное поглощение водой. Если бы это было так, то рассматриваемый кусок пищи или жидкости поглотил бы все микроволновое излучение своим внешним слоем, что привело бы к холодному, ненагретому центру и перегретой поверхности. Вместо этого выбранная частота позволяет энергии проникать глубже в нагретую пищу. Частота бытовой микроволновой печи составляет 2,45 ГГц, а частота для оптимального поглощения воды составляет около 10 ГГц.^[3]

Радиочастотный обогрев [ править ]

Использование высокочастотных электрических полей для нагрева диэлектрических материалов было предложено в 1930-х годах. Например, в патенте США 2147689 (заявка Bell Telephone Laboratories, датированная 1937 г.) говорится: « Это изобретение относится к системам нагрева для диэлектрических материалов, и цель изобретения состоит в том, чтобы нагревать такие материалы равномерно и по существу одновременно по всей их массе. Было предложено поэтому для одновременного нагрева таких материалов по всей их массе за счет диэлектрических потерь, возникающих в них, когда они подвергаются воздействию высокого напряжения и высокочастотного поля ». В этом патенте предложен радиочастотный (РЧ) нагрев на частоте от 10 до 20 мегагерц (длина волны от 15 до 30 метров). ^[4]Такие длины волн были намного длиннее, чем используемый резонатор, и, таким образом, использовали эффекты ближнего поля, а не электромагнитные волны. (В коммерческих микроволновых печах используется длина волны только на 1%).

В сельском хозяйстве радиочастотный диэлектрический нагрев был широко протестирован и все чаще используется как способ уничтожения вредителей некоторых пищевых культур после сбора урожая, таких как грецкие орехи, все еще находящиеся в скорлупе. Поскольку радиочастотное нагревание может нагревать продукты более равномерно, чем в случае микроволнового нагрева, высокочастотное нагревание является многообещающим способом быстрой обработки продуктов. ^[5]

В медицине радиотерапия тканей тела, называемая диатермией , используется для мышечной терапии ^[6]. Нагревание до более высоких температур, называемое гипертермической терапией , используется для уничтожения рака и опухолевых тканей.

ВЧ-нагрев используется в деревообрабатывающей промышленности для отверждения клеев, используемых при производстве фанеры, при соединении шипов и производстве мебели. Радиочастотный нагрев также можно использовать для ускорения сушки пиломатериалов.

СВЧ-нагрев [ править ]

Микроволновый нагрев, в отличие от ВЧ-нагрева, является подкатегорией диэлектрического нагрева на частотах выше 100 МГц, когда электромагнитная волна может быть запущена из излучателя небольшого размера и направлена ​​через пространство к цели. Современные микроволновые печи используют электромагнитные волны с электрическими полями гораздо более высокой частоты и более короткой длины волны, чем радиочастотные нагреватели. Типичные домашние микроволновые печи работают на частоте 2,45 ГГц , но также существуют печи с частотой 915 МГц . Это означает, что длины волн, используемые при микроволновом нагреве, составляют от 0,1 см до 10 см. ^[7] Это обеспечивает высокоэффективный, но менее проникающий диэлектрический нагрев. ^{[ необходима цитата ]}

Несмотря на то, конденсатор, как набор пластин может быть использован в диапазоне сверхвысоких частотах, они не являются необходимыми, так как микроволновые печи уже присутствуют в дальнем поле типа ЭМ излучения, и их поглощение не требуют такой же близости к небольшой антенне как это делает нагрев РЧА . Таким образом, нагреваемый материал (неметалл) можно просто поместить на пути волн, и нагрев происходит бесконтактным способом, который не требует емкостных проводящих пластин. ^{[ необходима цитата ]}

Объемный нагрев в микроволновой печи [ править ]

Объемный микроволновый нагрев - это коммерчески доступный метод нагрева жидкостей, суспензий или твердых веществ в непрерывном потоке в промышленных масштабах. Объемный микроволновый нагрев имеет большую глубину проникновения, до 42 миллиметров (1,7 дюйма), что является равномерным проникновением через весь объем текущего продукта. Это выгодно в коммерческих применениях, где может быть достигнуто увеличение срока хранения с повышенным уничтожением микробов при температурах на 10–15 ° C (18–27 ° F) ниже, чем при использовании обычных систем нагрева.

Применения микроволнового объемного нагрева включают:

• Пастеризация
• Мгновенная пастеризация
• СВЧ химия
• Стерилизация
• Сохранение продуктов питания
• Производство биотоплива

Заявка на питание [ править ]

При сушке пищевых продуктов диэлектрический нагрев обычно сочетается с обычным нагревом. Его можно использовать для предварительного нагрева корма для сушилки горячим воздухом. Благодаря быстрому повышению температуры корма и перемещению влаги к поверхности можно сократить общее время сушки. Диэлектрический нагрев может применяться на полпути цикла сушки, когда пища входит в период падения скорости. Это может ускорить высыхание. Если диэлектрический нагрев применяется ближе к концу сушки горячим воздухом, это также может значительно сократить время сушки и, следовательно, повысить производительность сушилки. На более поздних стадиях сушки чаще используют диэлектрический нагрев. Одно из основных применений высокочастотного нагрева - это последующая выпечка печенья. Целью выпечки печенья является получение продукта нужного размера, формы, цвета и содержания влаги.В обычной духовке снижение содержания влаги до желаемого уровня может занять большую часть общего времени выпечки. Применение радиочастотного нагрева может сократить время выпечки. Духовка настроена на производство печенья нужного размера, формы и цвета, но радиочастотный нагрев используется для удаления оставшейся влаги без чрезмерного нагрева и без того сухих частей печенья.^[8] Мощность печи может быть увеличена более чем на 50% за счет использования радиочастотного нагрева. Последующее выпекание с помощью высокочастотного нагрева также применялось для приготовления сухих завтраков и детского питания на основе хлопьев. ^[9]

Качество пищи повышается и лучше сохраняется с помощью электромагнитной энергии, чем при обычном нагревании. Обычный нагрев приводит к значительному перепаду температур и увеличению времени обработки, что может вызвать чрезмерную обработку поверхности продукта и ухудшить общее качество продукта. ^[10] Электромагнитная энергия позволяет достичь более высоких температур обработки за более короткое время, поэтому сохраняется больше питательных и сенсорных свойств. ^[11]

См. Также [ править ]

• Диэлектрическая сварка
• Удельная скорость поглощения
• Электрохирургия , которая требует прямого джоулева нагрева ткани и, таким образом, напрямую передает высокочастотные токи.

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]