Механизм нагрева радиочастотами

В системе радиочастотного нагревания генератор создает переменное электрическое поле между электродами. Нагреваемый материал помещается между электродами, где переменная энергия вызывает поляризацию, и молекулы материала непрерывно переориентируют себя по направлению к противоположным полюсам (рис. 6.5). Когда электрическое поле колеблется при радиочастоте, например, 27.12 МГц, это значит, что электрическое поле изменяется 27120000 циклов в секунду. Трение, образуемое за счет вращательного движения молекул и перемещения объемного заряда, вызывает быстрый нагрев материала по массе. Количество теплоты, образуемой в продукте, определяется частотой, площадью применяемого напряжения, размерами продукта и коэффициентом диэлектрических потерь материала.

Рисунок 6.5 – Объемный заряд и биполярная поляризация в переменном электрическом поле при радиочастотной обработке

Принцип диэлектрического нагревания описывается выражением для скорости повышения температуры и рассеивания энергии в диэлектрике:

(6.5)

(6.6)

С учетом, что диэлектрическая постоянная ε₀=8,85×10^-12 Ф/м, получим следующее уравнение:

(6.7)

где dT/dt выражается в ⁰С/с, Р выражается в Вт/м³, с – это удельная теплоемкость диэлектрического материала (Дж/кгАК), ρ – его плотность (кг/м³), f – частота (Гц), Е – среднеквадратичная величина коэффициента диэлектрических потерь (В/м), ε'' – воображаемая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости, ε''= ε' - j ε''.

Поскольку скорость нагрева (dT/dt) зависит от переменной величины Р, а также с и ρ, которые различны для разных материалов и условий, переменные, которые влияют на величину Р, энергия рассеивания в единицу объема важны для определения неравномерного нагревания компонентов смеси. Если смесь материалов подвергается диэлектрическому нагреванию высокочастотными или микроволновыми электрическими полями, относительная энергия поглощения будет зависеть от значений Е и ε'' каждого материала в смеси.

Свойства материалов

Процесс нагрева через постоянную и индуцированную поляризацию называется диэлектрическим нагреванием. Общий процесс нагрева микроволнами и радиочастотами определяется рассеиванием электрической энергии в среде с потерями. Поляризационный эффект является функцией радиочастоты, диэлектрических и электрических свойств материала, плотности среды и размера полярных молекул.

Вода является главным поглотителем электромагнитных волн в пище, поэтому, чем выше влагосодержание продукта, тем лучше происходит его нагревание. Органические составляющие пищи диэлектрически инертны (ε'<3 и ε''<0,1), и в сравнении с водой могут считаться прозрачными к электромагнитным волнам. Только при очень низких содержаниях влаги, когда остающиеся следы влаги связаны и не подвергаются воздействию переменного поля, эти компоненты с низкой теплоемкостью становятся главными факторами в нагревании. В высокоуглеводной пище, например, в хлебобулочных изделиях и алкогольных напитках, растворенные сахара и спирт являются главными токоприемниками. Продукты, содержащие фазы с диаметрально противоположными диэлектрическими свойствами, нагреваются за счет радикально противоположных температурных градиентов: с высокой поглотительной способностью взвешены в непрерывной фазе с низкой поглотительной способностью (горчица внутри пончика); компоненты с низкой поглотительной способностью взвешены в непрерывной фазе компонента с высокой поглотительной способностью (мясо и кусочки овощей в супе); слоеные продукты с переменными фазами с высокой и низкой поглотительной способностью (сыр, томатный соус, слои теста в пицце).

Общая эффективность нагревания зависит от радиочастот, состава и размера продукта, содержания в нем соли, влаги, его температуры и еще ряда факторов. Продукты с низкой плотностью при заданном уровне поглощения энергии нагреваются быстрее, чем более плотные продукты схожего состава. Воздух практически прозрачен для электромагнитных волн, потому что у него низкая диэлектрическая постоянная (ε'=1) и поэтому его присутствие в материале снижает количество поглощенной энергии. Несмотря на диэлектрические потери и низкую абсорбцию, соединение с низкой теплоемкостью может быть легко нагрето электромагнитными волнами из-за низкого количества калорий, необходимых для повышения температуры единицы веса продукта. Это свойство относится ко всем жирам и маслам. Хотя относительная диэлектрическая постоянная (ε'<3) и коэффициент потерь (ε''<0,1) жиров и масел намного меньше, чем у воды при 20 ⁰С (ε'=80), они могут быть значительно быстрее нагреты, т.к. их удельная теплоемкость равна 2 кДж/(кгК) ниже, чем теплоемкость воды 4,19 кДж/(кгК). Теплопроводность влияет на однородность нагрева. Нагревание имеет прямое отношение между количеством энергии для нагревания и размером нагреваемого материала. Если размер отдельного куска продукта очень большой в сравнении с длиной волны, преобладает поверхностное нагревание, а если размеры куска близки к длине волны, температура может быть выше в центре. Чем более правильна форма продукта, тем равномернее процесс нагревания. Тонкие части продукта могут быть перегреты по сравнению с большими кусками.

Этот эффект может контролироваться снижением подводимой мощности и удлинением продолжительности нагрева. Хотя скорость нагрева может быть легко увеличена путем повышения электромагнитной энергии, на практике это ведет к неравномерному профилю температур, т.е. неоднородному прогреванию продукта. Если при конвективном нагреве фактором, лимитирующим скорость нагрева, является теплопроводность материала, при диэлектрическом нагреве гетерогенные диэлектрические свойства являются определяющими. Так как при диэлектрической варке нагревание может быть неоднородным, присутствие относительно холодных участков приведет к выживанию бактерий, даже если на других участках может быть зафиксирована очень высокая температура.

Диэлектрическая проницаемость есть мера способности материала хранить электрическую энергию, а коэффициент диэлектрических потерь – это мера его способности рессеивать энергию. Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ=ε''/ε' относится к способности материала быть пронизанным электрическим полем и рассеивать электрическую энергию в виде тепла.