Dielektrisk uppvärmning

En mikrovågsugn använder dielektrisk uppvärmning för att laga mat.

Dielektrisk uppvärmning , även känd som elektronisk uppvärmning , radiofrekvensuppvärmning och högfrekvent uppvärmning , är den process där ett radiofrekvent (RF) alternerande elektriskt fält, eller radiovågs- eller mikrovågselektromagnetisk strålning värmer ett dielektriskt material. Vid högre frekvenser orsakas denna uppvärmning av molekylär dipolrotation i dielektrikumet.

Mekanism

Molekylär rotation sker i material som innehåller polära molekyler som har ett elektriskt dipolmoment , med följden att de kommer att ställa in sig i ett elektromagnetiskt fält . Om fältet oscillerar, som det är i en elektromagnetisk våg eller i ett snabbt oscillerande elektriskt fält, roterar dessa molekyler kontinuerligt genom att rikta in sig efter det. Detta kallas dipolrotation, eller dipolär polarisation. När fältet växlar, vänder molekylerna riktning. Roterande molekyler trycker, drar och kolliderar med andra molekyler (genom elektriska krafter), och distribuerar energin till intilliggande molekyler och atomer i materialet. Processen för energiöverföring från källan till provet är en form av strålningsuppvärmning.

Temperaturen är relaterad till den genomsnittliga kinetiska energin (rörelseenergin) hos atomerna eller molekylerna i ett material, så att omröra molekylerna på detta sätt ökar temperaturen på materialet. Således är dipolrotation en mekanism genom vilken energi i form av elektromagnetisk strålning kan höja temperaturen på ett föremål. Det finns också många andra mekanismer genom vilka denna omvandling sker.

Dipolrotation är den mekanism som normalt kallas dielektrisk uppvärmning och är mest observerbar i mikrovågsugnen där den fungerar mest effektivt på flytande vatten , och även, men mycket mindre, på fetter och sockerarter . Detta beror på att fetter och sockermolekyler är mycket mindre polära än vattenmolekyler, och därmed mindre påverkade av de krafter som genereras av de växlande elektromagnetiska fälten. Utanför matlagning kan effekten generellt användas för att värma fasta ämnen, vätskor eller gaser, förutsatt att de innehåller några elektriska dipoler.

Dielektrisk uppvärmning innebär uppvärmning av elektriskt isolerande material genom dielektrisk förlust . Ett föränderligt elektriskt fält över materialet gör att energi försvinner när molekylerna försöker komma i linje med det ständigt föränderliga elektriska fältet. Detta föränderliga elektriska fält kan orsakas av en elektromagnetisk våg som utbreder sig i fritt utrymme (som i en mikrovågsugn), eller det kan orsakas av ett snabbt växlande elektriskt fält inuti en kondensator. I det senare fallet finns det ingen fritt spridande elektromagnetisk våg, och det föränderliga elektriska fältet kan ses som analogt med den elektriska komponenten i en antenns närfält . I detta fall, även om uppvärmningen åstadkommes genom att ändra det elektriska fältet inuti den kapacitiva kaviteten vid radiofrekvenser (RF), genereras eller absorberas inga faktiska radiovågor . I denna mening är effekten den direkta elektriska analogen av magnetisk induktionsuppvärmning, vilket också är en närfältseffekt (som alltså inte involverar radiovågor). ^{[ citat behövs ]}

Frekvenser i intervallet 10–100 MHz är nödvändiga för att orsaka dielektrisk uppvärmning, även om högre frekvenser fungerar lika bra eller bättre, och i vissa material (särskilt vätskor) har lägre frekvenser också betydande uppvärmningseffekter, ofta på grund av mer ovanliga mekanismer. Till exempel, i ledande vätskor som saltvatten orsakar jondrag uppvärmning, eftersom laddade joner "dras" långsammare fram och tillbaka i vätskan under påverkan av det elektriska fältet, träffar vätskemolekyler i processen och överför kinetisk energi till dem, vilket så småningom översätts till molekylära vibrationer och därmed till termisk energi. ^{[ citat behövs ]}

frekvenser 1/2 $\approx$ π av , som en närfältseffekt, kräver ett avstånd från elektromagnetisk radiator till absorbator på mindre än 1/6 en våglängd. Det är således en kontaktprocess eller närakontaktprocess, eftersom den vanligtvis lägger in materialet som ska värmas (vanligtvis en icke-metall) mellan metallplattor och tar platsen för dielektrikumet i vad som faktiskt är en mycket stor kondensator . Men verklig elektrisk kontakt är inte nödvändig för att värma ett dielektrikum inuti en kondensator, eftersom de elektriska fälten som bildas inuti en kondensator som utsätts för en spänning inte kräver elektrisk kontakt mellan kondensatorplattorna med det (icke-ledande) dielektriska materialet mellan plattorna . Eftersom elektriska fält med lägre frekvens penetrerar icke-ledande material mycket djupare än mikrovågor, uppvärmningsfickor med vatten och organismer djupt inuti torra material som trä, kan det användas för att snabbt värma upp och förbereda många icke-elektriskt ledande livsmedel och jordbruksartiklar, så så länge de passar mellan kondensatorplattorna. ^{[ citat behövs ]}

Vid mycket höga frekvenser blir det elektromagnetiska fältets våglängd kortare än avståndet mellan metallväggarna i värmekaviteten eller än själva väggarnas dimensioner. Detta är fallet inuti en mikrovågsugn . I sådana fall bildas konventionella elektromagnetiska vågor med fjärrfält (kaviteten fungerar inte längre som en ren kondensator, utan snarare som en antenn), och absorberas för att orsaka uppvärmning, men dipolrotationsmekanismen för värmeavsättning förblir densamma. Mikrovågor är dock inte effektiva för att orsaka uppvärmningseffekter av lågfrekventa fält som är beroende av långsammare molekylär rörelse, såsom de som orsakas av jondrag. ^{[ citat behövs ]}

Kraft

Dielektrisk uppvärmning måste särskiljas från Joule-uppvärmning av ledande media, som orsakas av inducerade elektriska strömmar i media. För dielektrisk uppvärmning ges den genererade effekttätheten per volym av:

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

₀ där ω är vinkelfrekvensen för den exciterande strålningen, εr _″ är den imaginära delen av det absorberande materialets komplexa relativa permittivitet , ε är permittiviteten för fritt utrymme och E det elektriska fältstyrkan . Den imaginära delen av den (frekvensberoende) relativa permittiviteten är ett mått på förmågan hos ett dielektriskt material att omvandla elektromagnetisk fältenergi till värme, även kallad dielektrisk förlust . (Den verkliga delen av permittiviteten är den normala effekten av kapacitans och resulterar i icke-avledande reaktiv effekt .)

Om konduktiviteten σ för materialet är liten, eller frekvensen är hög, så att σ ≪ ωε (med ε = ε _r ″ · ε ₀ ), är Joule-uppvärmningen låg, och dielektrisk uppvärmning är den dominerande mekanismen för energiförlust från det elektromagnetiska fältet in i mediet.

Genomslag

Mikrovågsfrekvenser penetrerar ledande material, inklusive halvfasta ämnen som kött och levande vävnad. Penetreringen upphör i huvudsak där all inträngande mikrovågsenergi har omvandlats till värme i vävnaden. Mikrovågsugnar som används för att värma mat är inte inställda på frekvensen för optimal absorption av vatten. Om de var det, skulle maten eller vätskan i fråga absorbera all mikrovågsstrålning i sitt yttre skikt, vilket leder till ett svalt, ouppvärmt centrum och en överhettad yta. Istället tillåter den valda frekvensen energi att tränga djupare in i den uppvärmda maten. Frekvensen för en hushållsmikrovågsugn är 2,45 GHz, medan frekvensen för optimal absorption av vatten är runt 10 GHz.

Radiofrekvent uppvärmning

Användningen av högfrekventa elektriska fält för uppvärmning av dielektriska material hade föreslagits på 1930-talet. Till exempel, US Patent 2 147 689 (ansökan av Bell Telephone Laboratories, daterad 1937) säger:

Denna uppfinning hänför sig till uppvärmningssystem för dielektriska material och syftet med uppfinningen är att värma sådana material likformigt och väsentligen samtidigt genom hela sin massa. Det har därför föreslagits att värma sådana material samtidigt genom hela sin massa med hjälp av den dielektriska förlusten som uppstår i dem när de utsätts för ett högspänningsfält med hög frekvens. "

Detta patent föreslog radiofrekvensuppvärmning (RF) vid 10 till 20 megahertz (våglängd 15 till 30 meter). Sådana våglängder var mycket längre än kaviteten som användes, och använde sig därför av närfältseffekter och inte elektromagnetiska vågor. (Kommersiella mikrovågsugnar använder våglängder endast 1 % så långa.)

Inom jordbruket har RF dielektrisk uppvärmning testats i stor utsträckning och används alltmer som ett sätt att döda skadedjur i vissa livsmedelsgrödor efter skörd, såsom valnötter som fortfarande finns i skalet. Eftersom RF-uppvärmning kan värma mat mer enhetligt än vad som är fallet med mikrovågsuppvärmning, lovar RF-uppvärmning som ett sätt att bearbeta livsmedel snabbt.

Inom medicinen används RF-uppvärmning av kroppsvävnader, kallad diatermi , för muskelterapi. Uppvärmning till högre temperaturer, kallad hypertermiterapi , används för att döda cancer och tumörvävnad.

RF-uppvärmning används inom träindustrin för att härda lim som används i plywoodtillverkning, fingerskarvning och möbelkonstruktion. RF-uppvärmning kan också användas för att påskynda torkning av virke.

Uppvärmning av mikrovågsugn

Förutom att värma mat används mikrovågor i stor utsträckning för uppvärmning i många industriella processer. En industriell mikrovågstunnelugn för uppvärmning av plastdelar före extrudering.

Mikrovågsuppvärmning, till skillnad från RF-uppvärmning, är en underkategori av dielektrisk uppvärmning vid frekvenser över 100 MHz, där en elektromagnetisk våg kan sändas ut från en sändare med liten dimension och ledas genom rymden till målet. Moderna mikrovågsugnar använder sig av elektromagnetiska vågor med elektriska fält av mycket högre frekvens och kortare våglängd än RF-värmare. Typiska hushållsmikrovågsugnar fungerar på 2,45 GHz , men 915 MHz ugnar finns också. Detta betyder att våglängderna som används vid mikrovågsuppvärmning är 0,1 cm till 10 cm. Detta ger högeffektiv, men mindre penetrerande, dielektrisk uppvärmning. ^{[ citat behövs ]}

Även om en kondensatorliknande uppsättning plattor kan användas vid mikrovågsfrekvenser, är de inte nödvändiga, eftersom mikrovågorna redan är närvarande så långt fälttyp EM - strålning, och deras absorption kräver inte samma närhet till en liten antenn som RF-uppvärmning. . Materialet som ska värmas (en icke-metall) kan därför helt enkelt placeras i vågornas väg, och uppvärmningen sker i en beröringsfri process som inte kräver kapacitiva ledande plattor. ^{[ citat behövs ]}

Mikrovågsvolymuppvärmning

Mikrovågsvolymuppvärmning är en kommersiellt tillgänglig metod för att värma vätskor, suspensioner eller fasta ämnen i ett kontinuerligt flöde i industriell skala. Mikrovågsvolymuppvärmning har ett större inträngningsdjup, upp till 42 millimeter (1,7 tum), vilket är en jämn penetration genom hela volymen av den strömmande produkten. Detta är fördelaktigt i kommersiella applikationer där ökad hållbarhet kan uppnås, med ökad mikrobiell dödning vid temperaturer 10–15 °C (18–27 °F) lägre än vid användning av konventionella värmesystem.

Tillämpningar av mikrovågsvolymuppvärmning inkluderar:

Matapplikation

Vid torkning av livsmedel kombineras vanligtvis dielektrisk uppvärmning med konventionell uppvärmning. Den kan användas för att förvärma fodret till en varmluftstork. Genom att höja temperaturen på fodret snabbt och få fukt att flytta till ytan kan det minska den totala torktiden. Dielektrisk uppvärmning kan appliceras halvvägs genom torkcykeln, när maten går in i den fallande hastighetsperioden. Detta kan öka torkhastigheten. Om dielektrisk uppvärmning appliceras nära slutet av varmluftstorkningen kan det också förkorta torktiden avsevärt och därmed öka torkens genomströmning. Det är mer vanligt att använda dielektrisk uppvärmning i de senare stadierna av torkning. En av de viktigaste tillämpningarna för RF-uppvärmning är vid efterbakning av kex. Målen med att baka kex är att producera en produkt med rätt storlek, form, färg och fukthalt. I en konventionell ugn kan en sänkning av fukthalten till önskad nivå ta en stor del av den totala gräddningstiden. Användningen av RF-uppvärmning kan förkorta gräddningstiden. Ugnen är inställd för att producera kex av rätt storlek, form och färg, men RF-uppvärmningen används för att ta bort den återstående fukten, utan överdriven uppvärmning av de redan torra delarna av kexet. En ugns kapacitet kan ökas med mer än 50 % genom att använda RF-uppvärmning. Efterbakning med RF-uppvärmning har även tillämpats på frukostflingor och flingbaserad barnmat.

Matkvaliteten maximeras och bibehålls bättre med hjälp av elektromagnetisk energi än konventionell uppvärmning. Konventionell uppvärmning resulterar i stora skillnader i temperatur och längre bearbetningstider, vilket kan orsaka överbearbetning på matytan och försämring av produktens totala kvalitet. Elektromagnetisk energi kan uppnå högre bearbetningstemperaturer på kortare tid, därför bevaras fler näringsmässiga och sensoriska egenskaper.

Se även

Dielektrisk svetsning
Specifik absorptionshastighet
Elektrokirurgi , som kräver direkt jouleuppvärmning av vävnad, och därmed direkt överförda högfrekventa strömmar

externa länkar

Metaxas, AC (1996). Grunderna för elektrovärme, en enhetlig metod . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-95644-9 .
Metaxas, AC, Meredith, RJ (1983). Industriell mikrovågsuppvärmning (IEE Power Engineering Series) . Institutionen för teknik och teknik. ISBN 0-906048-89-3 .
US patent 2 147 689 – Metod och apparat för uppvärmning av dielektriska material