Диэлектрический нагрев

Отопление с помощью радиоволн

Микроволновая печь использует диэлектрический нагрев для приготовления пищи.

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

Механизм

Молекулярное вращение происходит в материалах, содержащих полярные молекулы , имеющие электрический дипольный момент , в результате чего они будут выстраиваться в электромагнитном поле . Если поле колеблется, как в электромагнитной волне или в быстро колеблющемся электрическом поле, эти молекулы непрерывно вращаются, выстраиваясь с ним. Это называется дипольным вращением или дипольной поляризацией. По мере изменения поля молекулы меняют направление. Вращающиеся молекулы толкают, тянут и сталкиваются с другими молекулами (через электрические силы), распределяя энергию между соседними молекулами и атомами в материале. Процесс передачи энергии от источника к образцу является формой радиационного нагрева.

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

Вращение диполя — это механизм, обычно называемый диэлектрическим нагревом, и наиболее широко наблюдаемый в микроволновой печи , где он наиболее эффективно работает с жидкой водой , а также, но гораздо меньше, с жирами и сахарами . Это связано с тем, что молекулы жиров и сахаров гораздо менее полярны, чем молекулы воды, и, таким образом, меньше подвержены влиянию сил, создаваемых переменными электромагнитными полями. За пределами приготовления пищи этот эффект может использоваться для нагрева твердых тел, жидкостей или газов, при условии, что 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 выстроиться в линию с непрерывно изменяющимся электрическим полем. Это изменяющееся электрическое поле может быть вызвано электромагнитной волной, распространяющейся в свободном пространстве (как в микроволновой печи), или оно может быть вызвано быстро меняющимся электрическим полем внутри конденсатора. В последнем случае нет свободно распространяющейся электромагнитной волны, и изменяющееся электрическое поле можно рассматривать как аналог электрического компонента ближнего поля антенны . В этом случае, хотя нагрев достигается путем изменения электрического поля внутри емкостной полости на радиочастотных (РЧ) частотах, фактические 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, не затрагивая радиоволны). ^{[ необходима цитата ]}

Частоты в диапазоне 10–100  МГц необходимы для того, чтобы вызвать диэлектрический нагрев, хотя более высокие частоты работают так же хорошо или лучше, а в некоторых материалах (особенно жидкостях) более низкие частоты также имеют значительные эффекты нагрева, часто из-за более необычных механизмов. Например, в проводящих жидкостях, таких как соленая вода, ионное увлечение вызывает нагрев, поскольку заряженные ионы «увлекаются» более медленно вперед и назад в жидкости под воздействием 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. ^{[ необходима 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 почти контактный процесс, поскольку он обычно помещает нагреваемый материал (обычно неметалл) между металлическими пластинами, занимающими место диэлектрика в том, что фактически является очень большим конденсатором . Однако фактический электрический контакт не является необходимым для нагрева диэлектрика внутри конденсатора, поскольку электрические поля, которые образуются внутри конденсатора, подвергаемого воздействию 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, нагревая карманы воды и организмы глубоко внутри сухих материалов, таких как дерево, его можно использовать для быстрого нагрева и приготовления многих неэлектропроводящих пищевых продуктов и сельскохозяйственных продуктов, если они помещаются между пластинами конденсатора. ^{[ требуется цитата ]}

На очень высоких частотах длина волны электромагнитного поля становится короче расстояния между металлическими стенками нагревательной полости или размеров самих стенок. Это происходит внутри микроволновой печи . В таких случаях образуются обычные электромагнитные волны дальнего поля (полость больше не действует как чистый конденсатор, а скорее как антенна) и поглощаются, вызывая нагрев, но механизм дипольного вращения теплоотдачи остается прежним. Однако микроволны неэффективны в создании эффектов нагрева низкочастотных полей, которые зависят от более медленного молекулярного движения, например, вызванного ионным торможением. ^{[ необходима цитата ]}

Власть

Диэлектрический нагрев следует отличать от джоулева нагрева проводящих сред, который вызывается индуцированными электрическими токами в среде. ^[2] Для диэлектрического нагрева генерируемая плотность мощности на единицу объема определяется по формуле: ^{[2] [3]}

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

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, также называемую диэлектрическими потерями . (Действительная часть диэлектрической проницаемости является нормальным эффектом емкости и приводит к недиссипативной реактивной мощности .)

Если проводимость σ материала мала или частота высока, так что σ ≪ ωε (при ε = ε _r ″ · ε ₀ ), то джоулев нагрев мал, и доминирующим механизмом потери энергии из электромагнитного поля в среду является диэлектрический нагрев.

Проникновение

Микроволновые частоты проникают в проводящие материалы, включая полутвердые вещества, такие как мясо и живые ткани. Проникновение по существу останавливается там, где вся проникающая микроволновая энергия преобразуется в тепло в ткани. Микроволновые печи, используемые для разогрева пищи, не настроены на частоту для оптимального поглощения водой. Если бы они были настроены, то рассматриваемый кусок пищи или жидкости поглощал бы все микроволновое излучение своим внешним слоем, что приводило бы к холодному, ненагретому центру и перегретой поверхности. ^[4] Вместо этого выбранная частота позволяет энергии проникать глубже в нагретую пищу. Частота бытовой микроволновой печи составляет 2,45 ГГц, в то время как частота для оптимального поглощения водой составляет около 10 ГГц. ^[5]

Радиочастотный обогрев

Использование высокочастотных электрических полей для нагрева диэлектрических материалов было предложено еще в 1930-х годах. Например, патент США 2,147,689 (заявка Bell Telephone Laboratories, датированная 1937 годом) гласит:

« Данное изобретение относится к системам нагрева диэлектрических материалов, и его целью является равномерный и практически одновременный нагрев таких материалов 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 высоковольтного высокочастотного поля » .

В этом патенте предлагалось радиочастотное (РЧ) нагревание на частоте от 10 до 20 мегагерц (длина волны от 15 до 30 метров). ^[6] Такие длины волн были намного длиннее используемой полости, и, таким образом, использовали эффекты ближнего поля, а не электромагнитные волны. (Коммерческие микроволновые печи используют длины волн, составляющие всего 1% от этой длины.)

В сельском хозяйстве радиочастотный диэлектрический нагрев широко тестировался и все чаще используется как способ уничтожения вредителей в некоторых продовольственных культурах после сбора урожая, например, грецких орехах в скорлупе. Поскольку радиочастотный нагрев может нагревать продукты питания более равномерно, чем микроволновый нагрев, радиочастотный нагрев является перспективным способом быстрой обработки продуктов. ^[7]

В медицине радиочастотный нагрев тканей организма, называемый диатермией , используется для мышечной терапии ^[8]. Нагревание до более высоких температур, называемое гипертермической терапией , используется для уничтожения раковых и опухолевых тканей.

Радиочастотный нагрев используется в деревообрабатывающей промышленности для отверждения клеев, используемых в производстве фанеры, шиповом соединении и производстве мебели. Радиочастотный нагрев также может использоваться для ускорения сушки пиломатериалов.

Микроволновый нагрев

Помимо разогрева пищи, микроволны широко используются для нагрева во многих промышленных процессах. Промышленная микроволновая туннельная печь для нагрева пластиковых деталей перед экструзией.

Микроволновый нагрев, в отличие от радиочастотного нагрева, является подкатегорией диэлектрического нагрева на частотах выше 100 МГц, где электромагнитная волна может быть запущена из небольшого излучателя 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 бытовые микроволновые печи работают на частоте 2,45 ГГц , но существуют также печи на 915 МГц . Это означает, что длины волн, используемые в микроволновом нагреве, составляют от 0,1 см до 10 см. ^[9] Это обеспечивает высокоэффективный, но менее проникающий диэлектрический нагрев. ^{[ необходима ссылка ]}

Хотя конденсатороподобный набор пластин может использоваться на микроволновых частотах, они не являются необходимыми, поскольку микроволны уже присутствуют как электромагнитное излучение дальнего поля , и их поглощение не требует такой же близости к небольшой антенне, как при радиочастотном нагреве. Нагреваемый материал (неметалл) может быть поэтому просто помещен на пути волн, и нагрев происходит в бесконтактном процессе, который не требует емкостных проводящих пластин. ^{[ необходима цитата ]}

Микроволновый объемный нагрев

Микроволновый объемный нагрев — это коммерчески доступный метод нагрева жидкостей, суспензий или твердых веществ в непрерывном потоке в промышленных масштабах. Микроволновый объемный нагрев имеет большую глубину проникновения, до 42 миллиметров (1,7 дюйма), что является равномерным проникновением по всему объему текущего продукта. Это выгодно в коммерческих приложениях, где можно достичь увеличенного срока годности, с увеличенным уничтожением микробов при температурах на 10–15 °C (18–27 °F) ниже, чем при использовании обычных систем нагрева.

Применение микроволнового объемного нагрева включает в себя:

• Пастеризация
• Мгновенная пастеризация
• Микроволновая химия
• Стерилизация
• Консервирование продуктов питания
• Производство биотоплива

Применение в пищевой промышленности

При сушке пищевых продуктов диэлектрический нагрев обычно сочетается с обычным нагревом. Его можно использовать для предварительного нагрева сырья для сушки горячим воздухом. Быстро повышая температуру сырья и заставляя влагу перемещаться на поверхность, можно сократить общее время сушки. Диэлектрический нагрев можно применять на полпути цикла сушки, когда пища входит в период падения скорости. Это может повысить скорость сушки. Если диэлектрический нагрев применяется ближе к концу сушки горячим воздухом, он также может значительно сократить время сушки и, следовательно, увеличить производительность сушилки. Диэлектрический нагрев чаще используют на поздних стадиях сушки. Одно из основных применений радиочастотного нагрева — последующая выпечка печенья. Целью выпечки печенья является получение продукта нужного размера, формы, цвета и влажности. В обычной печи снижение влажности до желаемого уровня может занять большую часть общего времени выпечки. Применение радиочастотного нагрева может сократить время выпечки. Печь настроена на производство печенья нужного размера, формы и цвета, но радиочастотный нагрев используется для удаления оставшейся влаги, без чрезмерного нагрева уже сухих участков печенья. ^[10] Мощность печи может быть увеличена более чем на 50% с помощью радиочастотного нагрева. Последующая выпечка с помощью радиочастотного нагрева также применялась к хлопьям для завтрака и детскому питанию на основе хлопьев. ^[11]

Качество пищи максимизируется и лучше сохраняется при использовании электромагнитной энергии, чем при обычном нагреве. Обычный нагрев приводит к большой разнице температур и более длительному времени обработки, что может привести к чрезмерной обработке поверхности пищи и ухудшению общего качества продукта. ^[12] Электромагнитная энергия может достигать более высоких температур обработки за более короткое время, поэтому сохраняются больше питательных и сенсорных свойств. ^[13]

Смотрите также

• Диэлектрическая сварка
• Электрохирургия , которая требует прямого джоулева нагрева тканей и, таким образом, прямой передачи высокочастотных токов
• Удельная скорость поглощения
• Индукционный нагрев

Ссылки

1. Шах, Ядиш (2018-01-12). Тепловая энергия: источники, восстановление и применение. Батон-Руж, Флорида: CRC Press. ISBN 9781315305936. Получено 27 марта 2018 г.
2. Pryor, Roger. "Modeling Dielectric Heating: A First Principles Approach" (PDF) . Pryor Knowledge Systems, Inc . Получено 27 марта 2018 г. .
3. Фоллмер, Майкл (2004). «Физика микроволновой печи». Физическое образование . 39 (74). IOP: 74–81. Bibcode : 2004PhyEd..39...74V. doi : 10.1088/0031-9120/39/1/006. S2CID  250796895.
4. Слепков, Аарон (2018). «Почему микроволны не настроены на резонансную частоту воды? Что бы произошло, если бы они были настроены?».
5. Уиттекер, Гэвин (1997). "Основы введения в микроволновую химию". Архивировано из оригинала 6 июля 2010 г.
6. Патент США 2,147,689 . Метод и устройство для нагрева диэлектрических материалов - JG Chafee
7. Piyasena P; et al. (2003), «Радиочастотный нагрев пищевых продуктов: принципы, применение и связанные свойства — обзор», Crit Rev Food Sci Nutr , 43 (6): 587–606, doi :10.1080/10408690390251129, PMID  14669879, S2CID  24407944
8. "Диатермия", Collins English Dictionary - Complete & Unabridged 10th Edition. Получено 29 августа 2013 г. с сайта Dictionary.com
9. "Электромагнитный спектр". NASA Goddard Space Flight Center, Astronaut's Toolbox . Получено 30 ноября 2016 г.
10. Fellows, PJ (2017). Технология обработки пищевых продуктов: принципы и практика . Великобритания: Woodhead Publishing. стр. 826–827. ISBN 978-0-08-101907-8.
11. Бреннан, Дж. Г. (2003). «СУШКА | Диэлектрическая и осмотическая сушка». Энциклопедия пищевых наук и питания (второе издание) : 1938–1942. doi :10.1016/B0-12-227055-X/00372-2. ISBN 9780122270550.
12. Датта, Ашим К.; Дэвидсон, П. Майкл (2000-11-01). «Микроволновая и радиочастотная обработка». Журнал пищевой науки . 65 : 32–41. doi :10.1111/j.1750-3841.2000.tb00616.x. ISSN  1750-3841.
13. Fellows, Peter (2017). Технология переработки пищевых продуктов . Woodheat publishing. стр. 813–840. ISBN 978-0-08-101907-8.

Внешние ссылки

• Метаксас, AC (1996). Основы электронагрева, унифицированный подход . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-95644-9.
• Метаксас, А.С., Мередит, Р.Дж. (1983). Промышленный микроволновый нагрев (Серия IEE Power Engineering) . Институт инженерии и технологий. ISBN 0-906048-89-3.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Патент США 2,147,689 – Метод и устройство для нагрева диэлектрических материалов