Диэлектрический нагрев

Диэлектрический нагрев , также известный как электронный нагрев , радиочастотный нагрев и высокочастотный нагрев , представляет собой процесс, в котором радиочастотное (РЧ) переменное электрическое поле, радиоволны или микроволновое электромагнитное излучение нагревают диэлектрический материал. На более высоких частотах этот нагрев вызван вращением молекулярного диполя внутри диэлектрика.

Механизм

Молекулярное вращение происходит в материалах, содержащих полярные молекулы , имеющие электрический дипольный момент , в результате чего они выравниваются в электромагнитном поле . Если поле колеблется, как в электромагнитной волне или в быстро колеблющемся электрическом поле, эти молекулы вращаются непрерывно, выравниваясь с ним. Это называется вращением диполя или диполярной поляризацией. Когда поле меняется, молекулы меняют направление. Вращающиеся молекулы толкают, тянут и сталкиваются с другими молекулами (за счет электрических сил), передавая энергию соседним молекулам и атомам в материале. Процесс передачи энергии от источника к образцу представляет собой форму радиационного нагрева.

Температура связана со средней кинетической энергией (энергией движения) атомов или молекул в материале, поэтому перемешивание молекул таким образом увеличивает температуру материала. Таким образом, вращение диполя — это механизм, с помощью которого энергия в виде электромагнитного излучения может повысить температуру объекта. Существует также множество других механизмов, с помощью которых происходит это преобразование. ^[1]

Вращение диполя — это механизм, который обычно называют диэлектрическим нагревом, и его наиболее часто можно наблюдать в микроволновой печи , где он наиболее эффективно действует на жидкую воду , а также, хотя и в гораздо меньшей степени, на жиры и сахара . Это связано с тем, что молекулы жиров и сахара гораздо менее полярны, чем молекулы воды, и, следовательно, на них меньше влияют силы, создаваемые переменными электромагнитными полями. Помимо приготовления пищи, этот эффект обычно можно использовать для нагрева твердых тел, жидкостей или газов, при условии, что они содержат несколько электрических диполей.

Диэлектрический нагрев предполагает нагрев электроизоляционных материалов за счет диэлектрических потерь . Изменение электрического поля в материале приводит к рассеиванию энергии, поскольку молекулы пытаются выстроиться в линию с постоянно меняющимся электрическим полем. Это изменяющееся электрическое поле может быть вызвано электромагнитной волной, распространяющейся в свободном пространстве (как в микроволновой печи), или быстро меняющимся электрическим полем внутри конденсатора. В последнем случае свободно распространяющаяся электромагнитная волна отсутствует, а изменяющееся электрическое поле можно рассматривать как аналог электрической составляющей ближнего поля антенны . В этом случае, хотя нагрев осуществляется за счет изменения электрического поля внутри емкостного резонатора на радиочастотных (РЧ) частотах, в действительности радиоволны не генерируются и не поглощаются. В этом смысле эффект является прямым электрическим аналогом магнитно- индукционного нагрева , который также является эффектом ближнего поля (то есть без участия радиоволн). ^{[ нужна ссылка ]}

Частоты в диапазоне 10–100 МГц необходимы, чтобы вызвать диэлектрический нагрев, хотя более высокие частоты работают одинаково хорошо или лучше, а в некоторых материалах (особенно в жидкостях) более низкие частоты также оказывают значительный нагревательный эффект, часто из-за более необычных механизмов. Например, в проводящих жидкостях, таких как соленая вода, ионное сопротивление вызывает нагрев, поскольку заряженные ионы медленнее «тянутся» взад и вперед в жидкости под действием электрического поля, при этом ударяясь о молекулы жидкости и передавая кинетическую энергию их, что в конечном итоге преобразуется в молекулярные колебания и, следовательно, в тепловую энергию. ^{[ нужна ссылка ]}

Диэлектрический нагрев на низких частотах, как эффект ближнего поля, требует расстояния от электромагнитного излучателя до поглотителя менее ⁠ 1 / 2 $π$ ⁠ ≈ ⁠ 1/6 ⁠ длины . волны Таким образом, это контактный процесс или почтиконтактный процесс, поскольку он обычно помещает нагреваемый материал (обычно неметалл) между металлическими пластинами, заменяющими диэлектрик в том, что фактически представляет собой очень большой конденсатор . Однако реальный электрический контакт не является необходимым для нагрева диэлектрика внутри конденсатора, поскольку электрические поля, которые образуются внутри конденсатора, находящегося под напряжением, не требуют электрического контакта обкладок конденсатора с (непроводящим) диэлектрическим материалом между пластинами. . Поскольку электрические поля более низкой частоты проникают в непроводящие материалы гораздо глубже, чем микроволны, нагревая карманы с водой и организмы глубоко внутри сухих материалов, таких как древесина, их можно использовать для быстрого нагрева и приготовления многих неэлектропроводящих продуктов питания и сельскохозяйственных продуктов, поэтому пока они помещаются между пластинами конденсатора. ^{[ нужна ссылка ]}

На очень высоких частотах длина волны электромагнитного поля становится короче, чем расстояние между металлическими стенками нагревательной полости или размеры самих стенок. Это происходит внутри микроволновой печи . В таких случаях образуются обычные электромагнитные волны в дальней зоне (полость больше не действует как чистый конденсатор, а скорее как антенна) и поглощаются, вызывая нагрев, но механизм выделения тепла с вращением диполя остается прежним. Однако микроволны неэффективны для создания нагревательных эффектов низкочастотных полей, которые зависят от более медленного молекулярного движения, например, вызванного ионным сопротивлением. ^{[ нужна ссылка ]}

Власть

Диэлектрический нагрев следует отличать от джоулевого нагрева проводящих сред, вызываемого индуцированными в средах электрическими токами. ^[2] Для диэлектрического нагрева плотность генерируемой мощности на объем определяется по формуле: ^[2]^[3]

Q=\omega \cdot \varepsilon _{\mathrm {r} }''\cdot \varepsilon _{0}\cdot E^{2},

где ω — угловая частота возбуждающего излучения, ε _r ″ — мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости поглощающего материала, ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства и E — напряженность электрического поля . Мнимая часть (зависимой от частоты) относительной диэлектрической проницаемости является мерой способности диэлектрического материала преобразовывать энергию электромагнитного поля в тепло, также называемое диэлектрическими потерями . (Действительная часть диэлектрической проницаемости является обычным эффектом емкости и приводит к недиссипативной реактивной мощности .)

Если проводимость σ материала мала или частота велика, такая, что σ ≪ ωε (при ε = ε _r ″ · ε ₀ ), то джоулевый нагрев мал, и преобладающим механизмом потери энергии является диэлектрический нагрев. из электромагнитного поля в среду.

Проникновение

Микроволновые частоты проникают в проводящие материалы, включая полутвердые вещества, такие как мясо и живые ткани. Проникновение по существу прекращается там, где вся проникающая микроволновая энергия преобразуется в ткань в тепло. Микроволновые печи, используемые для разогрева пищи, не настроены на частоту, обеспечивающую оптимальное поглощение ее водой. Если бы это было так, то рассматриваемый кусок пищи или жидкости поглотил бы все микроволновое излучение своим внешним слоем, что привело бы к образованию прохладного ненагретого центра и перегретой поверхности. ^[4] Вместо этого выбранная частота позволяет энергии проникать глубже в нагретую пищу. Частота бытовой микроволновой печи составляет 2,45 ГГц, а частота оптимального поглощения водой — около 10 ГГц. ^[5]

Радиочастотный нагрев

Использование высокочастотных электрических полей для нагрева диэлектрических материалов было предложено в 1930-х годах. Например, в патенте США № 2147689 (заявка Bell Telephone Laboratories, датированная 1937 г.) говорится:

« Это изобретение относится к системам нагрева диэлектрических материалов, и целью изобретения является нагрев таких материалов равномерно и по существу одновременно по всей их массе. Поэтому было предложено нагревать такие материалы одновременно по всей их массе за счет диэлектрических потерь, возникающих при их, когда они подвергаются воздействию высокого напряжения и высокочастотного поля » .

В этом патенте предлагался радиочастотный (РЧ) нагрев от 10 до 20 мегагерц (длина волны от 15 до 30 метров). ^[6] Такие длины волн были намного длиннее, чем используемый резонатор, и, таким образом, использовались эффекты ближнего поля, а не электромагнитные волны. (Коммерческие микроволновые печи используют длину волны только на 1% длиннее.)

В сельском хозяйстве радиочастотный диэлектрический нагрев широко опробован и все чаще используется как способ уничтожения вредителей некоторых продовольственных культур после сбора урожая, таких как грецкие орехи, все еще находящиеся в скорлупе. Поскольку радиочастотный нагрев позволяет нагревать продукты более равномерно, чем микроволновый нагрев, радиочастотный нагрев является многообещающим способом быстрой обработки пищевых продуктов. ^[7]

В медицине радиочастотный нагрев тканей тела, называемый диатермией , применяется для мышечной терапии. ^[8] Нагревание до более высоких температур, называемое гипертермической терапией , используется для уничтожения рака и опухолевых тканей.

Радиочастотное нагрев используется в деревообрабатывающей промышленности для отверждения клеев, используемых при производстве фанеры, сращивании и изготовлении мебели. Радиочастотное отопление также можно использовать для ускорения сушки пиломатериалов.

Микроволновое отопление

Микроволновой нагрев, в отличие от радиочастотного нагрева, представляет собой подкатегорию диэлектрического нагрева на частотах выше 100 МГц, при котором электромагнитная волна может быть запущена из излучателя небольшого размера и направлена через пространство к цели. Современные микроволновые печи используют электромагнитные волны с электрическими полями гораздо более высокой частоты и меньшей длины волны, чем радиочастотные нагреватели. Типичные бытовые микроволновые печи работают на частоте 2,45 ГГц , но частотой 915 МГц существуют и печи с . Это означает, что длины волн, используемые при микроволновом нагреве, составляют от 0,1 см до 10 см. ^[9] Это обеспечивает высокоэффективный, но менее проникающий диэлектрический нагрев. ^{[ нужна ссылка ]}

Хотя на микроволновых частотах можно использовать набор пластин, похожий на конденсатор, в этом нет необходимости, поскольку микроволны уже присутствуют в виде дальнего поля электромагнитного излучения , и их поглощение не требует такой же близости к небольшой антенне, как для радиочастотного нагрева. . Таким образом, нагреваемый материал (неметалл) можно просто разместить на пути волн, и нагрев происходит бесконтактным способом, который не требует емкостных проводящих пластин. ^{[ нужна ссылка ]}

Микроволновой объемный нагрев

Объемный микроволновый нагрев — это коммерчески доступный метод нагрева жидкостей, суспензий или твердых веществ в непрерывном потоке в промышленных масштабах. Объемный микроволновый нагрев имеет большую глубину проникновения - до 42 миллиметров (1,7 дюйма), что обеспечивает равномерное проникновение по всему объему текущего продукта. Это выгодно в коммерческих целях, где можно добиться увеличения срока хранения с увеличением уничтожения микробов при температурах на 10–15 ° C (18–27 ° F) ниже, чем при использовании традиционных систем нагрева.

Области применения микроволнового объемного нагрева включают:

Пищевое применение

При сушке продуктов диэлектрический нагрев обычно сочетают с обычным нагревом. Его можно использовать для предварительного нагрева сырья в сушилке горячим воздухом. Быстрое повышение температуры корма и перемещение влаги к поверхности позволяет сократить общее время сушки. Диэлектрический нагрев может применяться в середине цикла сушки, когда пища вступает в период снижения скорости. Это может увеличить скорость высыхания. Если диэлектрический нагрев применяется ближе к концу сушки горячим воздухом, это также может значительно сократить время сушки и, следовательно, увеличить производительность сушилки. На более поздних стадиях сушки чаще используют диэлектрический нагрев. Одним из основных применений радиочастотного нагрева является последующая выпечка печенья. Целью выпечки печенья является получение продукта нужного размера, формы, цвета и влажности. В обычной духовке снижение содержания влаги до желаемого уровня может занять большую часть общего времени выпекания. Применение радиочастотного нагрева может сократить время выпечки. Печь настроена на изготовление печенья нужного размера, формы и цвета, но радиочастотный нагрев используется для удаления остатков влаги без чрезмерного нагревания уже сухих участков печенья. ^[10] Производительность печи можно увеличить более чем на 50% за счет использования радиочастотного нагрева. Последующая обработка с помощью радиочастотного нагрева также применялась к хлопьям для завтрака и детскому питанию на основе злаков. ^[11]

Качество продуктов питания максимизируется и лучше сохраняется при использовании электромагнитной энергии, чем при обычном нагреве. Традиционный нагрев приводит к большой разнице температур и увеличению времени обработки, что может привести к переработке поверхности продукта и ухудшению общего качества продукта. ^[12] Электромагнитная энергия позволяет достичь более высоких температур обработки за более короткое время, поэтому сохраняется больше питательных и сенсорных свойств. ^[13]

См. также

Диэлектрическая сварка
Электрохирургия , которая требует прямого джоулевого нагрева тканей и, следовательно, прямой передачи токов высокой частоты.
Удельная скорость поглощения
Индукционный нагрев

Ссылки

^ Шах, Ядиш (12 января 2018 г.). Тепловая энергия: источники, рекуперация и применение . Батон-Руж, Флорида: CRC Press. ISBN 9781315305936 . Проверено 27 марта 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Прайор, Роджер. «Моделирование диэлектрического нагрева: подход на основе первых принципов» (PDF) . Прайор Ноуэл Системс, Инк . Проверено 27 марта 2018 г.
^ Воллмер, Майкл (2004). «Физика микроволновой печи» . Физическое образование . 39 (74). ВГД: 74–81. Бибкод : 2004PhyEd..39...74В . дои : 10.1088/0031-9120/39/1/006 . S2CID 250796895 .
^ Слепков, Аарон (2018). «Почему микроволны не настроены на резонансную частоту воды? Что бы произошло, если бы они были настроены?» .
^ Уиттакер, Гэвин (1997). «Основное введение в микроволновую химию» . Архивировано из оригинала 6 июля 2010 года.
^ Патент США 2147689 . Способ и устройство для нагрева диэлектрических материалов - Дж. Г. Чейфи
^ Пиясена П; и др. (2003), «Радиочастотный нагрев пищевых продуктов: принципы, применение и связанные свойства — обзор», Crit Rev Food Sci Nutr , 43 (6): 587–606, doi : 10.1080/10408690390251129 , PMID 14669879 , S2CID 24407944
^ «Диатермия», Словарь английского языка Коллинза - полное и несокращенное 10-е издание. Получено 29 августа 2013 г. с сайта Dictionary.com.
^ «Электромагнитный спектр» . Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, «Ящик для инструментов астронавта» . Проверено 30 ноября 2016 г.
^ Товарищи, Пи Джей (2017). Технология пищевой промышленности: принципы и практика . Соединенное Королевство: Издательство Woodhead. стр. 826–827. ISBN 978-0-08-101907-8 .
^ Бреннан, Дж. Г. (2003). «СУШКА | Диэлектрическая и осмотическая сушка». Энциклопедия пищевых наук и питания (второе издание) : 1938–1942. дои : 10.1016/B0-12-227055-X/00372-2 . ISBN 9780122270550 .
^ Датта, Ашим К.; Дэвидсон, П. Майкл (1 ноября 2000 г.). «Микроволновая и радиочастотная обработка». Журнал пищевой науки . 65 : 32–41. дои : 10.1111/j.1750-3841.2000.tb00616.x . ISSN 1750-3841 .
^ Товарищи, Питер (2017). Технология пищевой промышленности . Издательство Вудхит. стр. 813–840. ISBN 978-0-08-101907-8 .

Внешние ссылки

Метаксас, AC (1996). Основы электротепла, единый подход . Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-95644-9 .
Метаксас, AC, Мередит, RJ (1983). Промышленное микроволновое отопление (серия IEE Power Engineering) . Институт техники и технологий. ISBN 0-906048-89-3 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Патент США 2147689 – Способ и устройство для нагрева диэлектрических материалов.

[1] Шах, Ядиш (12 января 2018 г.). Тепловая энергия: источники, рекуперация и применение . Батон-Руж, Флорида: CRC Press. ISBN 9781315305936 . Проверено 27 марта 2018 г.

[Pryor-2] Jump up to: ^а ^б Прайор, Роджер. «Моделирование диэлектрического нагрева: подход на основе первых принципов» (PDF) . Прайор Ноуэл Системс, Инк . Проверено 27 марта 2018 г.

[3] Воллмер, Майкл (2004). «Физика микроволновой печи» . Физическое образование . 39 (74). ВГД: 74–81. Бибкод : 2004PhyEd..39...74В . дои : 10.1088/0031-9120/39/1/006 . S2CID 250796895 .

[Quora_answer:_Why_aren't_microwaves_tuned_to_the_resonant_frequency_of_water?_What_would_happen_if_they_were?-4] Слепков, Аарон (2018). «Почему микроволны не настроены на резонансную частоту воды? Что бы произошло, если бы они были настроены?» .

[homepages.ed.ac.uk-5] Уиттакер, Гэвин (1997). «Основное введение в микроволновую химию» . Архивировано из оригинала 6 июля 2010 года.

[6] Патент США 2147689 . Способ и устройство для нагрева диэлектрических материалов - Дж. Г. Чейфи

[Piyasena-2003-pmid-14669879-7] Пиясена П; и др. (2003), «Радиочастотный нагрев пищевых продуктов: принципы, применение и связанные свойства — обзор», Crit Rev Food Sci Nutr , 43 (6): 587–606, doi : 10.1080/10408690390251129 , PMID 14669879 , S2CID 24407944

[8] «Диатермия», Словарь английского языка Коллинза - полное и несокращенное 10-е издание. Получено 29 августа 2013 г. с сайта Dictionary.com.

[9] «Электромагнитный спектр» . Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, «Ящик для инструментов астронавта» . Проверено 30 ноября 2016 г.

[10] Товарищи, Пи Джей (2017). Технология пищевой промышленности: принципы и практика . Соединенное Королевство: Издательство Woodhead. стр. 826–827. ISBN 978-0-08-101907-8 .

[11] Бреннан, Дж. Г. (2003). «СУШКА | Диэлектрическая и осмотическая сушка». Энциклопедия пищевых наук и питания (второе издание) : 1938–1942. дои : 10.1016/B0-12-227055-X/00372-2 . ISBN 9780122270550 .

[12] Датта, Ашим К.; Дэвидсон, П. Майкл (1 ноября 2000 г.). «Микроволновая и радиочастотная обработка». Журнал пищевой науки . 65 : 32–41. дои : 10.1111/j.1750-3841.2000.tb00616.x . ISSN 1750-3841 .

[13] Товарищи, Питер (2017). Технология пищевой промышленности . Издательство Вудхит. стр. 813–840. ISBN 978-0-08-101907-8 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]