СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ (СВЧ) НАГРЕВ

Нагрев пищевых продуктов в электромагнитном поле сверх­высокой частоты существенно отличается от других способов нагрева, называемых традиционными. Это отличие заключается как в способе подвода энергии к продукту, так и в распределении температуры по объему обрабатываемого изделия.

Переменное электромагнитное поле, как и всякое переменное поле, характеризуется частотой, которая измеряется числом колебаний в одну секунду. Одно колебание в секунду называется герцем.

Бытовые СВЧ-печи работают на частоте электромагнитного поля 2 млрд. 450 млн. герц. Этот диапазон частот называют сверхвысокочастотным (СВЧ), а печи, работающие на этой частоте,— СВЧ-печами.

Длина электромагнитной волны равна скорости распростра­нения электромагнитного поля, деленной на частоту поля. В бытовых СВЧ-печах длина волны составляет 12,2 см.

Электромагнитные волны обладают рядом свойств, одним из которых является их способность проникать в диэлектрические материалы, т. е. в материалы, не проводящие или плохо проводящие электрический ток.

Нагрев диэлектрических материалов в переменном электро­магнитном поле обусловлен наличием молекул, положительные и отрицательные заряды которых находятся на определенном расстоянии. Такие молекулы называют полярными. Типичной молекулой является молекула воды.

Под действием переменного электромагнитного поля полярная молекула непрерывно ориентируется, т. е. поворачивается по направлению электрического поля. Поскольку электромагнитное поле переменное, то и частота поворота молекул соответствует частоте поля. Поворот молекул под действием поля вследствие «трения» происходит с некоторым опаздыванием, величина которого зависит от свойств материала. Вынужденные колебания полярных молекул под действием внешнего электрического поля приводят к межмолекулярному трению, в результате во всем объеме материала выделяется теплота. Другими словами, работа переменного электрического поля по ориентации полярных молекул трансформируется в теплоту.

В неидеальных диэлектрических материалах, т. е. в ма­териалах, частично проводящих электрический ток, происходит дополнительный нагрев за счет их проводимости.

Вода в пищевых продуктах содержит большое количество различных солей. Эти соли диссоциируют на ионы, которые служат носителями электрических зарядов, а также реагируют на переменное электромагнитное поле, смещаясь в направлении электрического поля волны.

Таким образом, нагрев продукта в переменном электрическом поле обусловлен ориентацией полярных молекул-диполей и смещением ионов.

Если диэлектрик не полярен (например, растительное масло), т. е. молекулы вещества не полярны, то в переменном электро­магнитном поле он не нагревается.

Количество энергии СВЧ-поля, трансформируемой в теплоту, которая выражается в единицах мощности, деленных на единицу объема продукта (Вт/м или Вт/см), пропорционально частоте электромагнитного поля, квадрату напряженности поля и ко­эффициенту поглощения данного продукта (в теории диэлектриков этот коэффициент называют коэффициентом потерь).

Принято, что с увеличением частоты электромагнитного поля и его напряженности интенсивность нагрева возрастает, так как увеличивается удельная мощность внутреннего источника теплоты.

Коэффициент поглощения зависит от химического состава продуктов, его влажности и температуры.

При плюсовых температурах глубина проникновения СВЧ-поля в продукты составляет 1,5—3 см, а при минусовых температурах — 5—15 см и более.

Все этиособенности учитываются при тепловой обработке пищевых продуктов в СВЧ-печах.

Большинство пищевых продуктов являются неидеальными диэлектриками и поэтому хорошо нагреваются в переменном поле СВЧ-диапазона.

Быстрота нагрева и приготовления пищи в электромагнитном поле СВЧ-диапазона сочетается с объемным нагревом продуктов практически без перепада температур в отдельных точках. Не будут нагреваться стекло, бумага, фарфор, фаянс, многие полимерные материалы, воздух и т. д. Такие материалы называют радиопрозрачными, поскольку электрическое поле проходит через нихбез потерь энергии. Посуда нагревается только за счет контакта с разогретым продуктом.

При нагреве СВЧ-полем время на приготовление пищи сокращается в 5—8 раз.

Средняя скорость нагрева в СВЧ-печах составляет 0,3—0,5 °С в секунду, а глубина проникновения поля — 15—20 мм. С учетом того, что СВЧ-поле подводится ко всей внешней поверхности продукта, глубина проникновения может быть удвоена, т.е. составлять 30—40 мм.

Бытовые СВЧ-печи

СВЧ-печь — сложный аппарат, состоящий из нескольких электротехнических и электронных узлов.

Корпус. Корпус большинства СВЧ-печей выполняют в форме прямоугольного параллелепипеда. На лицевой стороне корпуса имеются органы управления (пульт) и дверца рабочей камеры.

Корпус СВЧ-печи собирают из окрашенных эмалями листов холоднокатаной стали или алюминиевых сплавов. Съемные элементы облицовки крепят к каркасу печи винтами или шурупами по металлу.

На облицовочных панелях корпуса предусмотрены жалюзи или вентиляционные щели (чаще всего на верхней панели) для прохода охлаждающегося воздуха.

Рабочая камера. В электронной технике рабочая камера называется объемным резонатором, предназначена для размещения в ней обрабатываемых продуктов. В большинстве случаев онаимеет форму прямоугольного параллелепипеда.

Пищевые продукты размещают на специальном поддоне из диэлектрического материала с зазором от днища. Благодаря такому размещению электромагнитные волны, генерируемые магнетроном, отражаются от стенок рабочей камеры и проникают в обрабаты­ваемый продукт со всех сторон.

Переменное электромагнитное поле сверхвысокой частоты возбуждается в рабочей камере СВЧ-генератором — магнетроном, который размещают в верхней стенке рабочей камеры.

Антенна магнетрона, через которую выводится генерируемая СВЧ-энергия, вводится внутрь рабочей камеры через отверстие в ее стенке. Антенна защищается специальной диэлектрической перегородкой в форме пластины или колпака. Для этого применяется специальное стекло, или ситалл.

Для равномерного нагрева продукта в камеру вводят дисектор (мешалку). Вращается дисектор с небольшой скоростью 10—60 мин^-. Смещение волн дисектором способствует равномерному нагреву продукта.

Если дисектора в рабочей камере СВЧ-печи нет, появляются стоячие волны с пучностями и узлами, в результате чего продукт разогревается неравномерно.

Вместо дисектора в рабочей камере СВЧ-печи может исполь­зоваться вращающийся столик, на который устанавливают посуду с обрабатываемым продуктом,— создается эффект перемешивания, и продукт разогревается равномерно.

Дверца рабочей камеры. Дверца должна удовлетворять целому ряду специфических требований, предъявляемых прежде всего к ее размерам, направлению открытия, защите от утечек СВЧ-энергии из рабочей камеры, визуальному контролю за процессом тепловой обработки.

Для визуального контроля за процессом тепловой обработки пищи на дверцах имеется смотровое окно, а в самой камере — лампа подсветки.

Дверца рабочей камеры должна обеспечивать надежную защиту от утечки СВЧ-энергии из камеры. Существуют самые разнообразные устройства для обеспечения такой защиты. Уст­ройство четвертьволнового дросселя (ловушка) предотвращает утечку СВЧ-поля из рабочей камеры. Щель между крышками дверцы и рабочей камерой является неизлучающей, и через нее не может происходить утечка энергии СВЧ-поля.

Все защитные устройства работают надежно при отсутствии загрязнений на кромке рабочей камеры и дверцы в месте их прилегания друг к другу.

Для контроля за плотностью прилегания дверцы к камере предназначено несколько устройств, контролирующих плотность прилегания.

Генератор СВЧ-энергии, или магнетрон. Это прибор в бытовой печи, в котором электрическая энергия постоянного тока преоб­разуется в энергию электромагнитного поля сверхвысокой частоты. КПД магнетрона составляет 55—65 %. Срок службы магнетрона бытовой печи 1,5—2,5 тыс. ч, мощность 0,5—1 кВт.

Магнетроны бытовых СВЧ-печей работают на частоте 2450 МГц. 1 МГц (мегагерц) соответствует 1 млн. колебаний в секунду. Частота 2450 МГц относится к диапазону дециметровых волн, поскольку длина волны электромагнитного поля составляет 12,2 см.

Магнетрон бытовой СВЧ-печи представляет собой блок, состоящий из постоянных магнитов собственно магнетрона с ребрами для воздушного охлаждения. СВЧ-энергия от магнетрона отводится через антенну, вывод которой защищен колпачком из радиопрозрачного материала. Такой материал называют паке­тированным.

Для охлаждения магнетрона и вентиляции рабочей камеры СВЧ-печи используют небольшие центробежные или осевые вентиляторы.

Пульт управления. Дверцу рабочей камеры и пульт управ­ления размещают в соответствии с компоновкой печи и направ­лением открывания дверцы. Чаще всего пульт управления располагают в правой части передней панели.

Для удобства проведения профилактических работ, а также для ремонта блок управления может быть съемным.

Пульт управления СВЧ-печью состоит из ручки управления реле времени и кнопок включения и выключения печи. Реле времени имеет шкалу. Максимальная продолжительность обра­ботки устанавливается ручкой реле времени согласно шкале от 12 до 30 мин.

Реле времени может иметь кнопочные органы управления. В этом случае требуемый интервал времени задается нажатием кнопок «Минуты», «Секунды».

Некоторые модели СВЧ-печей оснащены устройством для регулирования мощности СВЧ-генератора — от 2 до 10 ступеней.

Высокоавтоматизированные СВЧ-печи имеют сенсорное управ­ление, микропроцессоры и даже микроЭВМ.

Автоматические устройства. Продолжительность работы гене­ратора СВЧ-печи, т. е. процесса тепловой обработки, задается на шкале реле времени. При этом требуется задать такое время тепловой обработки, чтобы в момент отключения СВЧ-генератора продукт был доведен до требуемого состояния (кулинарная готовность, разогрев, размораживание до требуемой температуры и т.д.).

Для облегчения определения интервала тепловой обработки разрабатываются различные устройства для СВЧ-печи, учитыва­ющие начальную температуру продукта, его массу и вид изделия. Эти данные вводятся в логическое устройство печи, которое и определяет продолжительность тепловой обработки. Для управ­ления режимом тепловой обработки (сюда входят продолжитель­ность нагрева и колебательная мощность печи, если предусмотрено ее регулирование) могут использоваться перфокарты, электрокон­тактные барабаны, вареньеры, микропроцессоры и др.

При массовом производстве полуфабрикатов, предназначенных для тепловой обработки в СВЧ-печах, продолжительность нагрева указывается непосредственно на упаковке (продукт обрабатывается прямо в упаковке). Именно для такой продукции вместо реле

времени со шкалой и поворотным датчиком требуемого интервала на пульте управления СВЧ-печи иногда есть ряд цветных кнопок. Нажатием кнопки, цвет которой соответствует цвету упаковки, автоматически задается требуемый интервал работы СВЧ-генератора.

Использование перфокарт для автоматизации режима тепловой обработки возможно только в случаях, когда блюда комплектуются абсолютно стандартными продуктами.

Незначительное распространение получили достаточно слож­ные барабанные устройства, обеспечивающие требуемые парамет­ры обработки продуктов с учетом их начальной массы и вида блюда.

Наиболее точно режим тепловой обработки можно осуществ­лять по контролю температуры обрабатываемых изделий и прекращать процесс нагрева по достижении продуктом заданной температуры.

Представляет интерес устройство, в котором измерение тем­пературы продукта осуществляется при отключении магнетрона. Для этого используют систему, состоящую из толкателя и штанги, на конце которой размещен датчик температуры. В процессе движения штанги с датчиком для измерения температуры продукта автоматически отключается СВЧ-генератор через специальный микровыключатель. Данные измерения вводятся через блок управления в реле времени, которое по достижении требуемой температуры продукта отключает СВЧ-генератор. Измеренная температура продукта высвечивается на специальном табло.

Для контроля температуры продуктов может быть использован инфракрасный датчик температуры, который осуществляет изме­рение дистанционно. Перед началом тепловой обработки задают конечную температуру продукта в блок управления. В процессе тепловой обработки температура продукта непрерывно измеряется инфракрасным датчиком и через усилитель выдается на блок управления, который по достижении заданной температуры отключает магнетрон.

Кулинарную готовность пищевых продуктов можно определять по контролю относительной влажности воздуха, выходящего из рабочей камеры, изменению массы обрабатываемых продуктов.

Для автоматизации режима тепловой обработки разработаны оптические сканирующие устройства, считывающие параметры режима, которые указаны на упаковке блюда или в рецептурном справочнике, прилагаемом к СВЧ-печи, режим обработки коди­руется. Считываемый оптическим сканирующим устройством код Дешифруется через усилитель и компаратор микропроцессором, который управляет СВЧ-генератором и реле времени.

 

Существуют сложные устройства, обеспечивающие защиту генератора при отсутствии или недостаточном поглощении СВЧ-энергии, отдаваемой генератором, в рабочей камере. Однако такие устройства, называемые ферритовыми, заметно удорожают печь и поэтому не нашли применения в бытовых СВЧ-печах. Однако есть ряд способов защиты: с помощью биметаллического реле, газоразрядной и неоновой ламп.

СВЧ-печь независимо от конструктивного ее исполнения состоит из следующих основных элементов:

1) рабочей камеры с дверцей и электродинамической системой, обеспечивающей требуемое распределение СВЧ-энергии в объеме камеры;

2) источника питания, обеспечивающего преобразование сете­вого напряжения в необходимый для работы СВЧ-генератора вид. Обычно это повышающий (анодный) трансформатор с высоковоль­тным выпрямителем, понижающий трансформатор (накальный) для питания катода СВЧ-генератора, система стабилизации напряжения;

3) СВЧ-генератора — магнетрона, преобразующего энергию постоянного тока в энергию электромагнитного поля СВЧ;

4) системы воздушного охлаждения магнетрона и вентиляции рабочей камеры, состоящей из центробежного (реже осевого) вентилятора и воздуховодов;

5) устройств управления и автоматики, обеспечивающих последовательность включения печи, ее работу и защиту отдель­ных элементов.

Печь подключается к сети напряжением 220 В через вилку каждый раз перед началом работы.

В работу печь включается обычно кнопкой: через цепи управления начинают работать накальный трансформатор, обес­печивающий разогрев катода магнетрона, вентилятор охлаждения магнетрона, а также дисектор, или вращающийся столик.

После загрузки рабочей камеры продуктом на реле времени задается продолжительность тепловой обработки и автоматически либо через кнопочный выключатель подается напряжение в анодный трансформатор — начинает работать СВЧ-генератор.

По истечении заданного срока тепловой обработки реле времени отключает магнетрон. Блок автоматики обеспечивает отключение магнетрона при открывании дверцы рабочей камеры и перегреве СВЧ-генератора.