СВЧ-печи. Группы и способ действия

Аппараты с диэлектрическим нагревом предназначены для бы­строго разогрева охлажденных блюд, размораживания и разог­рева замороженных блюд, доведения до готовности полуфабри­катов. Благодаря проникновению энергии электромагнитного поля внутрь продуктов происходит их быстрый нагрев, продолжитель­ность которого измеряется минутами. В обрабатываемых про­дуктах хорошо сохраняются витамины и минеральные вещества. СВЧ-аппараты используются и в диетическом питании. Энергия электромагнитного поля в рабочей камере аппарата поглощается продуктом практически полностью, т.е. КПД аппаратов этого типа высок. В мировой практике используются СВЧ-аппараты различных модификаций. Существующие установки можно под­разделить по ряду признаков: по мощности, производительнос­ти и др.

По мощности СВЧ-установки делятся на три группы: малой — до 1,5 кВт; средней — 1,5—5,0 кВт; ' • большой — свыше 5 кВт.

По производительности СВЧ-установки могут быть трех катего­рий:

малой — 5—10 кг/ч; средней — 15-40 кг/ч; большой — от 50 кг/ч и выше.

Установки малой и средней мощности принято называть СВЧ-печами, СВЧ-шкафами, микроволновыми печами, электронны­ми шкафами, диэлектрическими печами.

Аппараты большой мощности сохраняют название электротер­мических СВЧ-установок или просто СВЧ-установок.

По технологическому назначению СВЧ-печи делят на аппараты для приготовления, разогрева, размораживания, пастеризации, стерилизации, сушки (в том числе сублимационной); универсаль­ные, многорежимные, предназначенные для реализации техноло­гических процессов.

По способу действия СВЧ-установки подразделяют на аппараты периодического и непрерывного действия.

Конструктивно- исполнение СВЧ-печей может быть напольным, настол ы i ы м, встроен и ы м.

По способу охлаждения СВЧ-генератора различают печи воз­душного и водяного охлаждения.

В табл. 12.8 приведены технические характеристики СВЧ-пе­чей периодического действия различного исполнения.

СВЧ-печи малой мощности. Наиболее рационально, с точки зре­ния экономии времени и достижения высоких показателей процесса тепловой обработки пищевых продуктов, производить на СВЧ-печах малой мощности следующие технологические операции: разогрев при­готовленных и охлажденных блюд; доготовку полуфабрикатов; приго­товление ограниченного ассортимента блюд; размораживание и при­готовление свежезамороженных продуктов и приготовление свежеза­мороженных продуктов и блюд. Вместе с тем в силу ряда специфических особенностей СВЧ-нагрева приготовление отдельных блюд на СВЧ-печах, не оборудованных ИК-излучателями, затруднительно, а иногда и невозможно. Однако установка ИК-излучателей усложняет конст­рукцию СВЧ-печи. Повышается ее установочная мощность, увели­чиваются размеры, возникает необходимость теплоизоляции рабочей камеры, тепловой защиты электронной схемы и т.д., приводящих в конечном счете к удорожанию СВЧ-печи.

СВЧ-печь малой мощности при использовании ее в быту долж­на обеспечить разогрев и по возможности приготовление широкого ассортимента блюд; удовлетворять повышенным требованиям к технике безопасности и простоте эксплуатации оборудования; иметь уста­новленную мощность в пределах квартирного ввода; иметь доступ­ную стоимость; фиксированные габариты, позволяющие устанав­ливать печь на кухне; уровень утечек СВЧ-энергии не должен пре­вышать допустимых санитарных норм.

В соответствии с этими требованиями и выбираются основные параметры бытовой СВЧ-печи.

Перечисленные, а также ряд дополнительных соображений служат основанием для рекомендации бытовой СВЧ-печи как дополни­тельного кухонного оборудования, применяемого в сочетании с обычной плитой и жарочно-пекарным шкафом.

Опыт эксплуатации отечественных бытовых СВЧ-печей и ана­лиз зарубежных данных подтверждают целесообразность такого ре­шения. Для быстрой колеровки изделий после их обработки в СВЧ-печах наиболее целесообразно использовать электрогрили.

Мощность в рабочей камере является одним из исходных пара­метров при проектировании СВЧ-печей. Выбор мощности опреде­ляет в конечном счете эксплуатационные показатели (продолжи­тельность обработки продуктов, потребление энергии), а также габариты, массу и стоимость.

Исходя из назначения СВЧ-печи малой мощности, главным тре­бованием при выборе мощности должно быть обеспечение высокой скорости обработки при максимальном снижении внешних размеров, общей установленной мощности и стоимости СВЧ-печи.

Наиболее рационально упомянутые требования сочетаются при вариациях колебательной (полезной) мощности в рабочей камере печи в пределах 0,8—1,1 кВт. Как показывают результаты техноло­гических испытаний и анализ существующих конструкций, увели­чение мощности печи свыше 1 кВт приводит к возрастанию ее га­баритов, увеличению массы и установленной мощности, но не дает заметного выигрыша во времени приготовления пищи. При мощностях ниже 1 кВт время обработки относительно больше, но снижение габаритов и массы СВЧ-печи незначительно.

Рекомендуемая рабочая частота 2450 (2375) МГц лежит в пре­делах полосы частот, выделенных для промышленных СВЧ-прибо-ров, и является оптимальной для тепловой обработки большей ча­сти пищевых продуктов. На^этой частоте высок коэффициент по­глощения СВЧ-излучения, а глубина проникновения СВЧ-поля достаточна для равномерного распределения энергии по объему нагреваемого продукта.

В некоторых технологических процессах (размораживание, ра­зогрев) рекомендуемая мощность при обработке может быть ниже номинальной. Поэтому в СВЧ-печах малой мощности следует пре­дусматривать возможность снижения при необходимости колеба­тельной мощности на 50—60%.

Мощность СВЧ-печи, потребляемая от сети, определяется ко­лебательной мощностью в рабочей камере и КПД магнетрона. При общем КПД магнетрона 50—55% КПД печи в целом составляет 40— 45%. Таким образом, для получения колебательной мощности 1 кВт потребляемая от сети мощность должна быть около 2,2 кВт.,

Наибольшее распространение получили настольные СВЧ-печи малой мощности, реже — встроенные, хотя последние позволяют значительно сократить площадь, занимаемую печью, за счет поуз-ловой компоновки. Настольное исполнение позволяет устанавли­вать СВЧ-печь на другое оборудование. Возможна разработка дру­гих вариантов, например СВЧ-печей, встраиваемых в стенную нишу, настенных, с выносным блоком питания и т.д.

Длина, ширина и высота печи не должны превышать модуль­ный размер и определяются ее компоновкой и условиями эксплуа­тации.

На рис. 12.35 приведен общий вид печей малой мощности, вы­пускаемых серийно.

Объем рабочей камеры таких печей составляет 15—35 дм³, коле­бательная мощность — 0,4-0,9 кВт, рабочая частота - 2375-2450 МГц. Иногда такие печи встраивают в кухонную аппаратуру, например в электрическую плиту.

Размещение отдельных узлов и блоков в корпусе может быть разнообразным. В СВЧ-печах малой мощности настольного ис­полнения блок питания обычно размещают в нижней части корпуса, а рабочую камеру — в верхней. Пульт управления располагают в различных частях передней панели. Магнетрон устанавливают обычно над рабочей камерой, либо под ней, а волновод вводится в рабочую камеру сзади либо снизу, либо не используется вообще.

СВЧ-печи средней мощности предназначены для широкого ис­пользования на предприятиях с ограниченным объемом производ­ства, в которых основное место занимают процесс разогрева и до-готовка полуфабрикатов.

Для СВЧ-печей данного типа ограничение мощности не являет­ся таким жестким, как для СВЧ-печей малой мощности. Важней­шими показателями таких печей являются продолжительность теп­ловой обработки и производительность. Поэтому полезная мощ­ность СВЧ-печей средней мощности варьирует в пределах 3—5 кВт. Кроме того, предусматривается ее ступенчатое регулирование. При этом можно использовать как один, так и два или три СВЧ-генера-тора, работающих на одну камеру.

Рабочая частота СВЧ-генератора может быть 2450 или 915 МГц, • последняя используется при увеличенных размерах обрабатывае­мых изделий.

Мощность, потребляемая от сети, зависит от мощности и КПД магнетрона. Известно, что с увеличением мощности магнетрона 'его КПД возрастает так, что КПД СВЧ-печи мощностью 4,5-5,0 кВт может достигать 45-50% и более. Питание таких печей, как правило, трехфазное. Охлаждение генератора может быть воз­душным или жидкостным. Однако предпочтение следует отдать воз­душному охлаждению.

В остальном требования к СВЧ-печам средней мощности ана­логичны требованиям к СВЧ-печам бытового назначения.

Существенным отличием СВЧ-печей средней мощности от бы­товых является их повышенная мощность. Поэтому данные СВЧ-печи чаще имеют напольное исполнение, традиционное для тех­нологического оборудования и дающее возможность вписываться в модульные линии.

На рис. 12.36 приведены возможные схемы подвода электро­магнитного излучателя в рабочую камеру СВЧ-печи.

Рис. 12.35. СВЧ-печь малой мощности настольного исполнения: 1 — регулятор мощности; 2 — таймер

Рис. 12.36. Способы подвода энергии в рабочую камеру СВЧ-шкафов:

а — снизу; б — сверху; 1 — рабочая камера; 2 — дверца; 3 — отверстие для ввода энергии; 4 — волновод; 5 — магнетрон

Панели корпуса печи должны быть съемными для обеспечения доступа к блокам СВЧ-печи при ремонте. Желательно, чтобы внут­ренняя компоновка узлов и деталей позволяла производить регули­ровку и текущий ремонт при снятии только передней стенки.

Для облегчения установки печи и необходимых перемещений целесообразна установка в ее нижней части транспортных роли­ков. При установке на рабочее место их следует затормаживать. Ручки управления СВЧ-печью нужно располагать на передней па­нели на высоте, обеспечивающей удобство управления и благо­приятный угол зрения.

. Желательно, чтобы габаритные размеры печи были кратны 100 мм. Такие размеры позволяют создать единый комплекс оборудования и рационально использовать верхнюю поверхность печи, например пу­тем установки другого оборудования. Кроме того, санитарная обра­ботка верхней части печи возможна без дополнительной подставки.

Общие габариты печи не должны выходить за следующие преде­лы: глубина — 600 мм, высота — 1300 мм, ширина -— 700 мм.

В СВЧ-печах средней мощности напольного исполнения ана­логично печам малой мощности блок питания размещают.в ниж­ней части корпуса, а рабочую камеру — в верхней. Пульт управле­ния может находиться в средней или верхней части передней пане­ли, а ввод энергии в рабочую камеру через волновод от магнетрона может осуществляться через нижнюю, верхнюю или заднюю стен­ки рабочей камеры.

Печи напольного исполнения отличаются от СВЧ-печей настоль­ного исполнения увеличенным объемом рабочей камеры (80— 150 дм³), их колебательная мощность составляет 1,5—3,5 кВт.

Такие печи используют в основном на предприятиях общественного питания.

Особенности нагрева пищевых продуктов в СВЧ-печах периодического действия и его достоинства

При нагреве диэлектрических продуктов электромагнитным по­лем СВЧ-диапазона локальные значения энерговыделения внутри объема продуктов определяются распределением поля в нем. За­кон такого распределения определяется многими факторами, ос­новными из которых являются геометрическая форма продукта, соотношение его размеров с длиной волны электромагнитного поля и диэлектрические свойства. Для определения этого закона необ­ходим анализ сложной электродинамической задачи, которая строго может быть решена лишь в некоторых случаях.

При рациональном подборе частоты колебаний и параметров ка­меры, где происходит преобразование СВЧ-энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение теплоты по объему тела. Эффективность такого преобразования энергии возра­стает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату напря­женности электрического поля. Следует отметить и простоту пода­чи СВЧ-энергии практически к любому участку нагреваемого тела.

Важное преимущество СВЧ-нагрева — тепловая безынерцион-ность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его вос­производимость.

Достоинством СВЧ-нагрева является также чрезвычайно высо­кий КПД преобразования энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холод­ными, что создает комфортные условия для обслуживающего пер­сонала.

Важным преимуществом СВЧ-нагрева является возможность осу­ществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлек­трике от длины волны излучения, т.е. на зависимости тангенса угла диэлектрических потерь 5 от длины волны X. При этом в мно­гокомпонентной смеси диэлектриков будут нагреваться только те части, где высокий tgS.

Равномерный нагрев. Обычно передача теплоты осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неиз­бежен температурный градиент (перепад) от поверхности в глуби­ну материала, причем тем больший, чем меньше теплопроводность. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева поверхност­ных слоев обрабатываемого материала. Примерами таких процес­сов является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п. С помощью СВЧ-энергии можно не только равномерно на­гревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию лю­бое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ-иагре-ве открываются возможности многократного ускорения ряда тех­нологических процессов.

Сверхчистый нагрев. Если при нагреве газовым пламенем, а также с помощью других источников происходит загрязнение материа­лов, то СВЧ-излучение можно подводить к обрабатываемому мате­риалу через защитные оболочки из твердых диэлектриков с малы­ми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются. Кроме того, помещая нагреваемый материал в отка­чанный объем или инертный газ, можно устранить окисление его поверхности. Загрязнения от диэлектрика, через который подво­дится СВЧ-излучение, весьма малы, так как в случае малых потерь даже при пропускании большой СВЧ-мощности этот диэлектрик остается практически холодным.

Саморегулирующий нагрев. При нагреве для целей сушки каче­ство получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объяс­няется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как пищевые продукты, прямо пропорционален влаж­ности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки по­тери СВЧ-энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась по­вышенная влажность.