Техника и технология обработки продуктов с использованием ВЧ" Студент: Якимова М.В. Специальность: 060500 «Бухгалтерский учет, анализ и аудит» Курс 2 Мурманск 2006 Содержание Введение 3 Особенности сверхвысокочастотной энергии 5 СВЧ-печи 7 СВЧ-размораживатели 7 СВЧ-сублиматоры 9 Испытание сверхвысокочастотных бытовых приборов 10
Заключение 14 Список используемой литературы 15 ВВЕДЕНИЕ Технологическая обработка самых различных объектов почти всегда включает в себя термообработку и в первую очередь нагрев или сушку. При традиционных способах нагрева и сушки (конвективном, радиационным и контактном) нагрев объекта происходит по поверхности. Если теплопроводность объекта низка, что имеет место у диэлектриков, то термообработка объекта происходит медленно, с локальным перегревом поверхности нагрева, отчего возможно
подгорание этой поверхности, возникновение внутренних механических напряжений. Все это в конечном счете может привести к выходу объекта из строя. Сверхвысокочастотным называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот. Электромагнитная волна, проникая в объект, взаимодействует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте.
Полное описание эффекта может быть получено лишь с помощью квантовой теории. Ограничимся учетом макроскопических свойств материальной среды, описываемых классической физикой. В зависимости от расположения в них зарядов молекулы диэлектрической среды могут быть полярными и неполярными. В некоторых молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент. Под действием внешнего поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля.
Обычно различают электронную, ионную, дипольную и структурную поляризации диэлектрика. На СВЧ наибольший удельный вес имеют дипольная и структурная поляризации, так что выделение тепла возможно даже в отсутствии тока проводимости. СВЧ устройства для технологических целей работают на частотах, установленных международными соглашениями. Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 (2450)
Мгц. Если вместо традиционных способов нагрева использовать нагрев с помощью энергии СВЧ колебаний, то из-за проникновения волны в глубь объекта происходит преобразование этой энергии в тепло не на поверхности, а в его объеме, и потому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева по сравнению с традиционными способами нагрева. Последнее обстоятельство в ряде случаев приводит к улучшению качества изделия.
СВЧ термообработка обладает рядом других преимуществ. Так, отсутствие традиционного теплоносителя обеспечивает стерильность процесса и безинерционность регулирования нагревом. Изменяя частоту, можно добиться нагрева различных компонентов объекта. СВЧ электротермические установки занимают площадь меньшую, чем аналогичные установки с традиционным энергоприводом, и оказывают меньшее вредное воздействие на окружающую среду при лучших условиях труда обслуживающего персонала. Особенности сверхвысокочастотной энергии Сверхвысокочастотная (СВЧ) энергия, используемая для нагрева различных веществ, может быть применена для приготовления пищи, сушки белья, размораживания продуктов и в других бытовых устрой¬ствах, где необходима тепловая энергия. Однако широкое распростра¬нение СВЧ-энергия получила только в технологии приготовлении пищи, что связано с особенностями физического процесса нагрева
СВЧ-полей. Под действием переменного поля в веществе возникает поляризация, т. е. направленное перемещение связанных электрических зарядов. Для веществ, в состав которых входит вода, главным видом поляри¬зации является дипольная, вызванная несимметрией расположения атомов водорода относительно атома кислорода. Поляризация молекул со сверхвысокой частотой вызывает трение между ними с выделением теплоты, которая тем больше, чем выше частота f и напряженность Е поля.
Удельная тепловая энергия, выделяемая веществом, (Вт/см3), P = 0,566ε’tgδfE210-12, где ε ‘ — диэлектрическая проницаемость. При пересечении СВЧ-полем проводника возникает поверхностный эффект, заключающийся в том, что движение носителей тока вытес¬няется к поверхности. Чем больше частота, тем больше проявляется действие поверхностного эффекта. За глубину проникновения принимают глубину, на которой напря¬женность поля уменьшается в е
раз (е — основание натуральных лога¬рифмов). Глубина проникновения электромагнитного поля в вещество умень¬шается с увеличением е tg б, f, а выделяемая тепловая энергия повы¬шается. Исходя из этого рабочая частота для СВЧ-приборов должна быть выбрана из компромиссных соображений. В настоящее время решением Международной комиссии по радиочастотам для бытовых СВЧ-приборов выделена частота 2450 МГц. СВЧ-нагрев по сравнению с традиционными способами нагрева обладает следующими преимуществами. 1. При СВЧ-нагреве генерация теплоты происходит внутри самого нагревательного продукта. Если при тепловой обработке продуктов традиционными способами расходуется теплота на нагрев посуды и окружающей среды, то в СВЧ-приборах почти вся теплота идет на нагрев продуктов, а посуда нагревается незначительно в результате получения теплоты от горячего продукта. Таким образом, непроизводительные потери теплоты значительно снижаются.
2.Продолжительность тепловой обработки продуктов СВЧ-энергией значительно сокращается. 3. За счет сокращения времени тепловой обработки СВЧ-энергией снижаются потери массы продуктов на 10—30 % при сохранении витаминов, органических и минеральных веществ, естественного цвета и вкусовых качеств. 4.При применении СВЧ-приборов в быту снижаются затраты элек¬троэнергии (на 50—70 %) по сравнению с применением электроплит. 5.Простота уборки рабочей камеры после приготовления блюд обусловлена тем,
что во время тепловой обработки продукты не под¬горают. 6.После приготовления блюд меньше загрязненной посуды, так как продукты могут подвергаться тепловой обработке непосредственно в сервировочной посуде. Однако при перечисленных преимуществах СВЧ-приборы не могут полностью заменить традиционные приборы для приготовления пищи. Как правило, СВЧ-приборы являются хорошим дополнением к обору¬дованию кухни.
Это объясняется тем, что получаемые при приготов¬лении на СВЧ-приборах блюда не имеют традиционного вида, а сохра¬няют вид полуфабрикатов, который имеет продукт до тепловой обра¬ботки. Например, некоторые блюда привычны после обжаривания с аппетитной румяной корочкой, а получение ее в СВЧ-приборах затруднительно: необходимо применение специальных дополнительных устройств, которые, увеличивая на 50 % время и энергозатраты, повы¬шают стоимость приготовления. Сравнительно высокая стоимость СВЧ-приборов по сравнению с традиционными электрическими и газовыми плитами существенно влияет на их приобретение и внедрение в быт. СВЧ-печи СВЧ-нагрев является одним из наиболее прогрессивных способов тепловой обработки продуктов в процессах размораживания, разогрева и приготовления готовых блюд. В связи с этим СВЧ-приборы завоевы¬вают все большую популярность на мировых рынках.
Первые СВЧ-печи бытового назначения появились в конце сороко¬вых годов, а их массовое производство в наиболее развитых странах началось в шестидесятых годах. Большинство СВЧ-печей, выпускаемых за рубежом, составляют многорежимные модели, в которых один или два режима предусмотрены для размора¬живания продуктов. СВЧ-размораживатели Производство и спрос на СВЧ-размораживатели обусловлены зна¬чительным увеличением
производства и продажи замороженных про¬дуктов в странах Западной Европы, Японии и США. Например, в США производство замороженных продуктов на душу населения еще в пе¬риод 1975—1980 гг. выросло на 19,7 %, а в Швеции на 44,8%. Приме¬нявшиеся традиционные способы размораживания воздухом и проточ¬ной водой стали неэффективны, занимали много времени и не обеспе¬чивали сохранность питательных веществ в продуктах.
Это стимулиро¬вало расширение производства и продажи СВЧ-размораживателей. Размораживание продуктов в СВЧ-поле происходит значительно быстрее благодаря их объемному нагреву, при этом питательная цен¬ность продуктов сохраняется лучше. Особенностью раз¬мораживания, происходящего в СВЧ-поле, является резкое изменение диэлектрических свойств пищевых продуктов при переходе из заморо¬женного в размороженное состояние.
Однако это приводит к некото¬рым техническим затруднениям при практическом применении метода. В замороженных продуктах диэлектрическая проницаемость и фактор потерь приближается к параметрам льда, а после размораживания они резко увеличиваются. Вследствие этого оттаявшие участки про¬дуктов быстро перегреваются и процесс становится неуправляемым. В результате такой обработки может оказаться, что отдельные части продуктов будут готовы к употреблению, а другие останутся еще не размороженными. Такое положение является следствием неравномер¬ной тепловой обработки продуктов в рабочих камерах СВЧ-приборов, так как процесс размораживания происходит в поле стоячей волны. Поэтому равномерный нагрев продуктов, особенно при их разморажи¬вании, является основной проблемой, стоящей перед проектировщиками СВЧ-приборов. Для равномерного нагрева продукт механически перемещают внутри камеры, помещая его на подставку, которая совершает вращательное, поступательное или вращательно-
поступательное движение. Другим способом для равномерного нагрева продукта является возмущение кар¬тины электромагнитного поля внутри камеры с помощью использова¬ния специальных металлических отражателей — стирреров, создающих фазовые сдвиги векторов электрических полей и тем самым способ¬ствующих более равномерному нагреву. Эти способы, повышающие равномерность нагрева при тепловой обработке, не решают указанной проблемы при размораживании продуктов. Проблема равномерного на¬грева, особенно при размораживании,
разрешена комплексным примене¬нием указанных способов, путем так называемого «автоматического цикла размораживания» совместно со стиррером и вращающейся подставкой. «Автоматический цикл размораживания» предусматривает периоди¬ческий режим работы СВЧ-генератора на более низком уровне выход¬ной мощности. Периодичность работы СВЧ-генератора составляет 20—40 с. Паузы между кратковременной. работой генератора служат для выравнивания температуры внутри нагреваемого
продукта путем передачи тепла нагретых участков в менее нагретые. Исследования, проведенные отечественными и зарубежными специа¬листами, позволяют сделать следующие выводы по СВЧ-разморажи-ванию: 1) по биологической, ценности мясо, прошедшее СВЧ-обработку, практически не отличается от продукта, размораживание которого получено традиционным путем; 2) по органолептическим свойствам рыба, размороженная СВЧ-спс собом, лучше рыбы, размороженной традиционным способом. Влияние СВЧ-обработки на пищевые продукты, в том числе и н| витамины, является предметом достаточно сложных исследований. Так, проблема использования электромагнитных СВЧ-печей для размораживания овощей и фруктов, подвергнутых низкотемпературному замораживанию, недостаточно изучена и ограниченно освещена в литера¬туре. Установлено, что размораживание в поле
СВЧ-энергии приводит к меньшим потерям неорганических веществ. При традиционном спо¬собе размораживания часть минеральных веществ теряется вместе с вытекающей влагой. При СВЧ-размораживании потери влаги меньше и, как следствие, меньше потери неорганических веществ. СВЧ-сублиматоры СВЧ-сублиматоры считаются одним из перспективных видов быто¬вых приборов. Сублимированные продукты сохраняют не только пита¬тельные вещества гораздо лучше, чем сушеные или термообработан-
ные, но и присущую им форму, цвет, запах. Упакованные в полиэтиле¬новую тару, сублимированные продукты могут храниться несколько лет в обычных условиях. Для восстановления сублимированного про¬дукта достаточно его увлажнить, опустив в воду. Процесс сублимационной сушки продуктов заключается в том, что испарение влаги из продукта происходит после предварительного замо-раживания. К быстрозамороженному продукту при температуре —30°С или ниже подводят тепло или
СВЧ-энергию. Происходит испарение (сублимация) влаги; находящейся в твердом состоянии (лед), без перехода в жидкое состояние. Конструктивно СВЧ-сублиматоры представляют собой соединение морозильника и СВЧ-печи. В камеру СВЧ-печи вводят испаритель морозильника, позволяющий снизить температуру в камере до — 30 °С. В эту же камеру вводят СВЧ-энергию от магнитронного генератора. Управляя температурой в камере, мощностью и временем работы магнитрона, можно обеспечить оптимальный технологический режим не только сублимации, но и приготовления пищи к заданному моменту времени без участия потребителя. Загрузив подготовленный к приго¬товлению продукт, охлаждают камеру, что позволяет хранить продукт в течение нужного времени. К заданному сроку, который устанавли¬вают на пульте микропроцессорного управления сублиматором, вклю¬чается СВЧ-генератор и продукт доводится до готовности. В этом отно¬шении очень удобны замороженные продукты, изготовленные пищевой промышленностью.
Объем производства замороженных продуктов (вторых блюд, мяс¬ных и овощных наборов, фруктов, ягод) будет постоянно увеличиваться, а использование их в быту значительно улучшит ассортимент, обеспе¬чив этим рациональное питание (с позиций витаминности и калорий¬ности) и сократив время для приготовления пищи. Испытание сверхвысокочастотных бытовых приборов Испытания сверхвысокочастотных бытовых приборов имеют некото¬рые особенности, связанные с измерением СВЧ-мощности.
Остальные параметры (потребляемая мощность, соответствие требованиям элек¬тробезопасности и др.) проверяют в соответствии с ГОСТ 14087—80. Измерение СВЧ-мощности. Стандартным прибором сделать это не всегда удается. Поэтому заводы — изготовители СВЧ-печей рекомен¬дуют принять калориметрический метод следующим образом. 1.Подготовить печь к включению согласно руководству по ее эксплуатации и поместить в рабочую камеру
печи кастрюлю из жаро¬прочного стекла объемом 1,5 л (РСТ УССР 473—72) с 0,001 м3 (I л) питьевой воды (ГОСТ 2874—82). 2.Подготовить печь к включению, предварительно замерив темпе¬ратуру воды, помещаемой в камеру печи. 3.Нажать кнопку «сеть> на передней панели печи. 4.Набрать на световом табло 3 мин 10 с, нажав сначала кнопку «быстро», а затем «замедл.». 5.Нажать кнопку «жарить» («парить» или «размораживать»). 6.После окончания работы таймера одну минуту перемешивать воду в кастрюле термометром, не касаясь стенок и дна кастрюли. Измерить температуру, выключить печь. 7.Подсчитать мощность в камере по формуле: N=(T2-T1) (ρ1V1c1 + mc2)/t, где T1— начальная температура воды, К; T2 — конечная температура воды,
К; р — плотность воды, кг/м3, р=1000 кг/м3; V1, —объем воды, м3 ; c1— удельная теплоемкость воды, Дж/(кг *К), c1 =4190 Дж/(кг*К); m — масса кастрюли, кг; c2 — удельная теплоемкость кастрюли, Дж/(кг*К); с2 = 838 Дж/(кг-К), t — время нагрева, с. Функционирование печи при отклонениях напряжения. Функциони¬рование проверяют следующим образом. 1.Устанавливают напряжение питания печи 198
В. 2.Определяют мощность в рабочей камере печи. Мощность в рабо¬чей камере в режиме «жарить» (100% мощности в камере) должна быть не менее 450 Вт. 3.Устанавливают напряжение питания печи 242 В. 4.Определяют мощность в рабочей камере печи, которая в режиме «жарить» должна быть не более 800 Вт. Проверка плотности потока утечки электромагнитной энергии. Про¬верку производят измерителем плотности потока мощности типа
ПЭ-9Р на расстоянии 0,5 м от поверхности печи. Для этого необходимо сде¬лать следующее: 1) подготовить измери¬тель плотности к включению и выключить согласно инструкции по эксплуатации; 2) подготовить печь к включению; при проведении испытаний по данной мето¬дике в печь поместить кастрюлю из жаропрочного стек¬ла с 0,0002 м3 (0,2 л) воды; 3)нажать кнопку «сеть» на передней панели печи; 4)набрать на световом табло 24 мин 30 с, нажав сначала кнопку «быстро», а потом «замедл.»;
5)нажать кнопку «жа¬рить»; через 1 мин начать измерение утечки плотности потока электромагнитной энергии; каждые 2—3 мин необходимо менять воду; при замене воды печь должна быть выключена; 6) в процессе измерения в каждой точке антенна должна поворачиваться вокруг своей оси на угол не менее 900 ; отсчет принимают максимальное показа¬ние прибора (измерителя); при измерении пространство вокруг печи на расстоянии не менее 2 м должно быть свободно от металлических конструкций; 7) выключить печь. При проведении приемосдаточных испытаний максимальную плот¬ность потока утечки электромагнитной энергии замеряют путем пере¬мещения антенны измерителя вдоль линии сопряжения дверцы с каме¬рой печи и в плоскости смотрового окна дверцы и перпендикулярно нижней плоскости редуктора. При проведении периодических испытаний замер плотности утечки производится согласно рекомендациям Киевского научно-исследова¬тельского института общей и коммунальной гигиены.
Измерение производится в четырех плоскостях: первая плоскость — на уровне верхней плоскости печи; вторая — на уровне полувысоты корпуса печи; третья — на уровне нижней плоскости корпуса печи; четвертая — плоскость сопряжения дверцы с камерой а также в центральной точке смотрового окна дверцы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Развитие технического прогресса, новых технологий оказывает влияние на разработку новых современных бытовых машин и приборов. Все больше и больше внедряется компьютерной технологии, передовых
методов средств телекоммуникации, такие как Интернет и мобильная связь. В недалеком будущем как раз с помощью развивающейся телекоммуникации возможно будет управление современными бытовыми приборами из любой точки земного шара. Современные бытовые приборы должны стать действительно надежными помощниками человека в быту. Список используемой литературы 1. Бондарь Е.С. Современные бытовые электроприборы и машины –
М Машиностроение, 1987. 2. Привалов С.Ф. Электробытовые устройства и приборы – СПб Лениздат, 1994.