Диэлектрический нагрев - Dielectric heating

А микроволновая печь использует диэлектрический нагрев для приготовления пищи.

Диэлектрический нагрев, также известный как электронное отопление, радиочастотный обогрев, и высокочастотный нагрев, это процесс, в котором радиочастота (RF) переменное электрическое поле, или радиоволна или же микроволновая печь электромагнитное излучение нагревает диэлектрик материал. На более высоких частотах этот нагрев вызывается молекулярный диполь вращение внутри диэлектрика.

Механизм

Вращение молекул происходит в материалах, содержащих полярные молекулы имея электрический дипольный момент, в результате чего они присоединятся к электромагнитное 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 (посредством электрических сил), распределяя энергию между соседними молекулами и атомы в материале. Процесс передачи энергии от источника к образцу является формой радиационного нагрева.

Температура относится к среднему кинетическая энергия (энергия движения) атомов или молекул в материале, поэтому перемешивание молекул таким образом 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]

Вращение диполя - это механизм, обычно называемый диэлектрическим нагревом, и наиболее часто он наблюдается в микроволновая печь где он наиболее эффективно работает с жидкостью воды, а также, но гораздо меньше, на жиры и сахара. Это потому, что жиров и молекул сахара намного меньше. полярный чем молекулы воды, и поэтому 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 путем диэлектрические потери. 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 изменяющееся электрическое поле можно рассматривать как аналог электрического компонента антенны. ближнее поле. В этом случае, хотя нагрев осуществляется за счет изменения электрического поля внутри емкостного резонатора на радиочастотах (RF), фактических радиоволны либо генерируются, либо поглощаются. В этом смысле эффект является прямым электрическим аналогом магнитная индукция нагрев, который также является эффектом ближнего поля (таким образом, без радиоволн).[нужна цитата ]

Частоты в диапазоне 10–100МГц необходимы, чтобы вызвать диэлектрический нагрев, хотя более высокие частоты работают одинаково хорошо или лучше, а в некоторых материалах (особенно в жидкостях) более низкие частоты также имеют значительный нагревательный эффект, часто из-за более необычных механизмов. Например, в проводящих жидкостях, таких как соленая вода, ионное увлечение вызывает нагрев, так как заряженные ионы более медленно «тянутся» вперед и назад в жидкости под действием электрического поля, ударяя при этом молекулы жидкости и передавая им кинетическую энергию, которая в конечном итоге преобразуется в молекулярные колебания и, таким образом, в тепловую энергию .[нужна цитата ]

Диэлектрический нагрев на низких частотах, как эффект ближнего поля, требует расстояния от электромагнитного излучателя до поглотителя менее 1/2π ≈ 1/6 длины волны. Таким образом, это контактный процесс или процесс, близкий к контакту, поскольку он обычно помещает нагреваемый материал (обычно неметалл) между металлическими пластинами, заменяя диэлектрик в том, что фактически является очень большим. конденсатор. 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.[нужна цитата ]

На очень высоких частотах длина волны электромагнитного поля становится короче расстояния между металлическими стенками нагревательной полости или размеров самих стенок. Это случай внутри микроволновая печь. 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.[нужна цитата ]

Мощность

Диэлектрический нагрев следует отличать от Джоулевое нагревание проводящих сред, вызванных наведенными в них электрическими токами.[2] Для диэлектрического нагрева плотность генерируемой мощности на единицу объема определяется как:[нужна цитата ]

куда ω это угловая частота возбуждающего излучения, εр" это мнимая часть сложного родственника диэлектрическая проницаемость впитывающего материала, ε0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства и E то напряженность электрического поля. Мнимая часть (зависящей от частоты) относительной диэлектрической проницаемости является мерой способности диэлектрического материала преобразовывать энергию электромагнитного поля в тепло.[нужна цитата ]

Если проводимость σ материала малая или частота высокая, так что σ ≪ ωε (с ε = εр″ · ε0), то диэлектрический нагрев является доминирующим механизмом потери энергии электромагнитным полем в среду.[нужна цитата ]

Проникновение

Микроволновые частоты проникают через проводящие материалы, в том числе полутвердые вещества, такие как мясо и живая ткань. 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

Использование высокочастотных электрических полей для нагрева диэлектрических материалов было предложено в 1930-х годах. Например, Патент США 2147689 (заявка Bell Telephone Laboratories, датированная 1937 г.) гласит: "Данное изобретение относится к системам нагрева диэлектрических материалов, и цель изобретения состоит в том, чтобы нагревать такие материалы равномерно и по существу одновременно по всей их массе. Поэтому было предложено нагревать такие материалы одновременно по всей их массе за счет диэлектрических потерь, возникающих в них, когда они подвергаются воздействию поля высокого напряжения и высокой частоты.«В этом патенте предлагается радиочастотный (РЧ) нагрев от 10 до 20 секунд. 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 радиочастотный нагрев тканей тела, называемый диатермия, используется для мышечной терапии[6] Нагрев до более высоких температур, называемый гипертермическая терапия, используется для уничтожения рака и опухолевых тканей.

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

СВЧ-нагрев

Помимо нагрева пищи, микроволновые печи широко используются для нагрева во многих промышленных процессах. Промышленная туннельная микроволновая печь для нагрева пластмассовых деталей перед экструзией.

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. Современное микроволновые печи используют электромагнитные волны с электрическими полями гораздо более высокой частоты и меньшей длины волны, чем радиочастотные нагреватели. Типичные бытовые микроволновые печи работают при 2,45 ГГц, но 915 МГц духовки тоже существуют. 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.[нужна цитата ]

Хотя конденсаторный набор пластин может использоваться на микроволновых частотах, в них нет необходимости, поскольку микроволны уже присутствуют в виде дальнее поле тип ЭМ излучения, и их поглощение не требует такой же близости к маленькой антенне, как радиочастотный нагрев. Таким образом, нагреваемый материал (неметалл) можно просто поместить на пути волн, и нагрев происходит бесконтактным способом, который не требует емкостных проводящих пластин.[нужна цитата ]

Объемное микроволновое нагревание

Объемный нагрев в микроволновой печи представляет собой 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:

Пищевая промышленность

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 радиочастотного 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 духовки 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 большому перепаду температур и увеличению времени обработки, что может вызвать чрезмерную обработку поверхности пищевого 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шах, Ядиш (12 января 2018 г.). Тепловая энергия: источники, рекуперация и применение. Батон-Руж, Флорида: CRC Press. ISBN  9781315305936. Получено 27 марта 2018.
  2. ^ Прайор, Роджер. «Моделирование диэлектрического нагрева: подход из первых принципов» (PDF). Pryor Knowledge Systems, Inc. Получено 27 марта 2018.
  3. ^ Уиттакер, Гэвин (1997). «Базовое введение в химию микроволн». Архивировано из оригинал 6 июля 2010 г.
  4. ^ Патент США 2147689 . Способ и устройство для нагрева диэлектрических материалов - J.G. Чафи
  5. ^ Пиясена П; и другие. (2003), "Радиочастотный нагрев пищевых продуктов: принципы, применение и связанные свойства - обзор", Crit Rev Food Sci Nutr, 43 (6): 587–606, Дои:10.1080/10408690390251129, PMID  14669879, S2CID  24407944
  6. ^ «Диатермия», Словарь английского языка Коллинза - Полное и полное 10-е издание. Получено 29 августа 2013 г. из Сайт Dictionary.com
  7. ^ «Электромагнитный спектр». Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, Набор инструментов астронавта. Получено 30 ноября, 2016.
  8. ^ Стипендиаты, П.Дж. (2017). Технология пищевой промышленности: принципы и практика. Соединенное Королевство: Woodhead Publishing. С. 826–827. ISBN  978-0-08-101907-8.
  9. ^ Бреннан, Дж. (2003). «СУШКА | Диэлектрическая и осмотическая сушка». Энциклопедия пищевых наук и питания (второе издание): 1938–1942. Дои:10.1016 / B0-12-227055-X / 00372-2.
  10. ^ ДАТТА, АШИМ К .; ДЭВИДСОН, П. Майкл (2001-11-01). «Микроволновая и радиочастотная обработка». Журнал пищевой науки. 65: 32–41. Дои:10.1111 / j.1750-3841.2000.tb00616.x. ISSN  1750-3841.
  11. ^ Товарищи, Питер (2017). Технология пищевой промышленности. Издательство Woodheat. С. 813–840. ISBN  978-0-08-101907-8.

внешняя ссылка

  • Метаксас, A.C. (1996). Основы электрообогрева, единый подход. Джон Вили и сыновья. ISBN  0-471-95644-9.
  • Метаксас, А.К., Мередит, Р.Дж. (1983). Промышленный микроволновый нагрев (серия IEE Power Engineering). Институт инженерии и технологий. ISBN  0-906048-89-3.
  • Патент США 2147689 – Способ и устройство для нагрева диэлектрических материалов.