Глубина проникновения поля частотой 2450 МГц в различные

РАЗДЕЛ 4 ПРОЦЕССЫТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Процессы обработки пищевых продуктов сверхвысокочастотной энергией

Особенности процессов обработки пищевых продуктов

СВЧ - энергией

Сверхвысокочастотная (СВЧ) энергия, используемая для нагрева различных веществ, может быть применена для приготовления пищи, сушки белья, размораживания продуктов и в других бытовых устрой­ствах, где необходима тепловая энергия. Однако широкое распростра­нение СВЧ - энергия получила только в технологии приготовлении пищи, что связано с особенностями физического процесса нагрева СВЧ - полями.

Микроволновое или сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение — это электромагнитные волны длиной от одного миллиметра до одного метра. Волны этого диапазона применяются не только в микроволновых печах, но и в радиолокации, радионавигации, системах спутникового телевидения, сотовой телефонии и т.д.

Микроволны существуют в природе, их испускает Солнце. В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота f которых составляет 2450 МГц. Эта частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.

Зная, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света с, равной 300000 км/сек, нетрудно подсчитать, чему равна длина волны L микроволнового излучения данной частоты:

L = c/f = 12,25 см

Для того чтобы понять принцип работы микроволновой печи, нужно вспомнить что волна представляет собой сочетание переменных полей — электрического и магнитного.

Если учесть, что частота микроволн составляет 2450 МГц, а 1 герц — это одно колебание в секунду, мегагерц — один миллион колебаний в секунду. За один период волны поле меняет свое направление дважды от «плюса» к «минусу», и обратно. Таким образом, СВЧ-поле меняет полярность 4 900 000 000 раз в секунду.

Под действием микроволнового излучения молекулы двигаются с высокой частотой, а выделяющееся при этом тепло служит причиной разогрева пищевых продуктов.

Тепловая обработка пищевых продуктов в СВЧ - приборах осуществляется электромагнитной энергией, которую вырабатывает входящий в схему печи магнетронный генератор. Тепловая обработка основана на интенсивном поглощении всем объемом обрабатываемого продукта подводимой электромагнитной энергии.

В состав продуктов питания входят многие вещества: минеральные соли, жиры, сахар, вода. Для того чтобы пищу можно было нагреть с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, то есть таких молекул, на одном конце которых имеется положительный элекрический заряд, а на другом — отрицательный. В пищевых продуктах диполями являются молекулы жиров, сахаров, но главное, что диполем является молекула воды — самого распространенного в природе вещества. Каждый кусочек овощей, мяса, рыбы, фруктов содержит миллионы дипольных молекул. В отсутствие электрического поля молекулы расположены хаотически. В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, «плюсом» в одну сторону, «минусом» в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на 180^о.

Рис. 1. Геометрия молекулы воды а - атом водорода с одним электроном и атом кислорода с шестью электронами на внешней орбите, б - два aтома водорода и один атом кислорода образовали молекулу воды. В ней с одном стороны избыток положительных зарядов, а с противоположной избыток отрицательных. Так у молекулы образуются два противоположных по знаку полюса. Из-зa чтого ее называют диполем. в - общий вид диполя молекулы воды. г - размеры молекулы воды в ангстремах для парообразного состояния.

Под действием переменного поля в веществе возникает поляризация, то есть направленное перемещение связанных электрических зарядов. Для веществ, в состав которых входит вода, главным видом поляри­зации является дипольная, вызванная несимметрией расположения атомов водорода относительно атома кислорода. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у молекулы воды не совпадают и образуют диполь. В молекуле Н₂О атом кислорода с его шестью внешними электронами имеет две наполовину заполненные р – орбиты и может образовывать две р – связи с двумя атомами водорода, образовывая ковалентную молекулу Н₂О. Ковалентная связь образуется за счет перекрывания электронных облаков двух атомов. Каждый атом предоставляет один неспаренный электрон для образования одной химической связи, при этом происходит образование общей электронной пары. Т.к. р – связи перпендикулярны, то валентный угол между атомами водорода должен быть равен 90°, однако в результате взаимного отталкивания атомов водорода угол между ними увеличивается до 104° и возникает электрический момент. Таким образом, дипольная молекула воды под действием внешнего электрического поля приобретает вращательный момент, образованный парой зарядов. Момент вращения пропорционален произведению m×Ē, где m - относительная магнитная проницаемость вещества, Ē – напряженность электрического поля.

При известных значениях удельного объемного сопротивления вещества r и относительной диэлектрической проницаемости eпри определенной температуре тангенс угла диэлектрических потерь проводимости рассчитывается по формуле:

. (1)

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):

, (2)

При пересечении СВЧ - полем проводника возникает поверхностный эффект, заключающийся в том, что движение носителей тока вытес­няется к поверхности. Чем больше частота, тем больше проявляется действие поверхностного эффекта. Глубина проникновения тока в про­водник h (см) рассчитывается из соотношения (2):

. (3)

За глубину проникновения принимают глубину, на которой напря­женность поля уменьшается в е раз (е — основание натуральных лога­рифмов).

Глубина проникновения электромагнитного поля в вещество умень­шается с увеличением e ’, tg d, f, а выделяемая тепловая энергия повы­шается. 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.

Глубина проникновения поля частотой 2450 МГц в различные

продукты при температуре 18— 25 °С

Источником микроволнового излучения является высоковольтный вакуумный прибор — магнетрон (рис. 3.5). Для того, чтобы антенна магнетрона излучала микроволны, к нити накала магнетрона необходимо подать высокое напряжение (порядка 3–4 кВ). Поэтому сетевого напряжения питания (220 В) магнетрону недостаточно, и питается он через специальный высоковольтный трансформатор (рис. 3.6). Мощность магнетрона современных микроволновых печей составляет 700–850 Вт. Этого достаточно, чтобы за несколько минут довести до кипения воду в двухсотграммовом стакане. Для охлаждения магнетрона рядом с ним имеется вентилятор, непрерывно обдувающий его воздухом.

Генерированные магнетроном микроволны поступают в полость печи по волноводу — каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение (рис. 3.7). В одних микроволновках волны входят в полость только через одно отверстие (как правило, под «потолком» полости), в других — через два отверстия — у «потолка» и у «дна». В полости печи находятся пластинки из слюды, которые закрывают отверстия для ввода микроволн. Пластинки не позволяют попадать в волновод брызгам жира, а проходу микроволн они не препятствуют, поскольку слюда прозрачна для излучения.

Важным элементом микроволновой печи является дверца. Она должна дать нам возможность видеть, что происходит в полости, и при этом исключить выход микроволн наружу. Дверца представляет собой многослойный пирог из стеклянных или пластмассовых пластин (рис. 3.8).

Кроме того, между пластин обязательно есть сетка из перфорированного металлического листа. Металл отражает микроволны назад, в полость печи, а отверстия перфорации, которые делают его прозрачным для взгляда, имеют диаметр не более 3 мм. Вспомним, что длина волны СВЧ_излучения равна 12,25 см. Ясно, что через трехмиллиметровые отверстия такой волне не пройти. Чтобы излучение не нашло лазейки там, где дверца прилегает к срезу полости, по периметру дверцы вмонтирован уплотнитель из диэлектрического материала. Он плотно прилегает к переднему торцу корпуса СВЧпечи при закрытии дверцы. Толщина уплотнителя составляет порядка четверти длины волны СВЧ_излучения. Здесь используется расчет, основанный на физике волн: как известно, волны в противофазе гасят друг друга.

Благодаря точно подобранной толщине уплотнителя обеспечивается так называемая отрицательная интерференция волны, проникшей внутрь материала уплотнителя, и отраженной волны, выходящей из уплотнителя наружу. Благодаря этому уплотнитель служит ловушкой, надежно гасящей излучение. Для того чтобы полностью исключить возможность генерации микроволн при открытой дверце камеры, используется набор нескольких дублирующих друг друга независимых выключателей. Эти выключатели замыкаются контактными штырями на дверце печи и разрывают цепь питания магнетрона даже при небольшой неплотности закрытия дверцы (рис. 3.9).

Чтобы волны проникали в продукты равномерно, их пытаются как бы «перемешать» в полости печи. Самим же продуктам лучше в буквальном смысле повертеться в полости, подставляя под поток излучения разные бока. В микроволновых печах используется поворотный стол — блюдо, опирающееся на небольшие ролики и приводимое в движение электродвигателем

«Перемешивать» микроволны можно разными способами. Наиболее простое и прямолинейное решение — подвесить под «потолком» полости вращающуюся крыльчатку с металлическими лопастями, которые отражают микроволны – диссектор. Сочетание вращающегося диссектора и поворотного стола для продуктов иногда носит специальное имя. Так, в микроволновых печах Miele такое сочетание называется системой Duplomatic. В некоторых микроволновках (например, модели Y82, Y87, ET6 от Moulinex) имеются два поворотных стола, расположенных один над другим. Такая система называется DUO и позволяет готовить два блюда одновременно. Каждый стол имеет отдельный привод через гнездо на задней стенке полости печи.