СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МИКРОВОЛНОВЫХ ПЕЧЕЙ
METHOD OF MICROWAVE OVEN EFFICIENCY IMPROVEMENT

Область техники
Изобретение относится к микроволновой технике, в частности к электронагревательным аппаратам, использующим энергию микроволнового поля, и предназначено для тепловой обработки пищевых продуктов.
Предшествующий уровень техники
Известен способ тепловой обработки пищевых продуктов, нагрев которых является следствием поглощения ими энергии микроволнового поля [1].
Существенным недостатком этого способа является его низкая эффективность, величина которой у лучших образцов печей не превышает (52÷55)%, соответственно более 40% потребляемой электроэнергии расходуются бесполезно.
Известен также способ тепловой обработки пищевых продуктов, основанный на комплексном воздействии на пищевой продукт в рабочей камере печи энергии микроволнового поля и энергии ИК-излучения [1].
Этот способ позволяет улучшить качество тепловой обработки пищевых продуктов, однако его эффективность еще меньше, чем у вышеуказанного.
2
Известен способ существенного улучшения характеристик электрохимических процессов, в частности процесса электрохимического осаждения металлов, за счет воздействия ультразвуковых (УЗ) колебаний [2, 3]. При определенных параметрах УЗ-колебаний, играющих роль катализатора, в электролите возникает эффект кавитации (кавитация акустическая - образование, в частности, в жидкостях пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью, при прохождении УЗ-волны с интенсивностью >0,01 Вт/см. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения, захлопывание пузырьков, сопровождающееся локальным нагревом вещества и существенным улучшением тепломассообмена [5]), способствующий интенсификации процесса электроосаждения, увеличению выхода металла по току, улучшению структуры покрытий [2, 4]. Как катализатор УЗ-колебания нашли широкое применение для интенсификации различных физико-химических процессов. Однако определение оптимальных параметров УЗ-воздействия в каждом конкретном случае весьма трудоемкая задача, что является существенным недостатком этого способа.
Раскрытие изобретения
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа повышения эффективности микроволновых печей за счет использования комплексного воздействия на обрабатываемый в рабочей камере печи пищевой продукт энергии микроволнового поля и энергии УЗ-колебаний.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе повышения эффективности микроволновых печей за счет использования комплексного воздействия на обрабатываемый в рабочей камере печи пищевой продукт энергии микроволнового поля и энергии УЗ-колебаний, первый цикл обработки длительностью ~2 мин состоит только из воздействия УЗ-колебаний на пищевой продукт с большим содержанием воды, вызывающего возникновение кавитации и существенно улучшающего тепломассобмен, во втором цикле совместно с УЗ-колебаниями на пищевой продукт воздействует микроволновое поле, обеспечивая требуемое качество тепловой обработки пищевого продукта при заметно меньшем потреблении микроволновой энергии.
2
Благодаря использованию комплексного воздействия УЗ-колебаний с частотой 40 кГц, плотностью потока 0,032 Вт/см и микроволнового поля, активная мощность которого составляла 580 Вт, на стеклянную кювету с 1 л воды, расположенную в резонансной камере объемом 20 л, фиг.1, за время этого воздействия Δt=2 мин температура воды увеличилась на 18,2°С, что на 3,6°С больше, чем прирост температуры, обусловленной только микроволновым нагревом. Это эквивалентно повышению эффективности микроволнового нагрева ~ на 20% (потребление электроэнергии от сети переменного тока УЗ-генератором учтено).
Целесообразно из-за большого разнообразия пищевых продуктов при реализации способа повышения эффективности микроволновых печей предусмотреть возможность регулировки энергии, поступающей от УЗ-генератора в кювету с продуктом, и продолжительности первого цикла, а также регулировки уровня поступающей в камеру нагрева микроволновой энергии во втором цикле и его продолжительности.
Целесообразно дно кюветы изготавливать из тонкого эластичного материала с малыми диэлектрическими потерями для обеспечения благоприятного режима воздействия УЗ-колебаний на обрабатываемый продукт.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется с помощью схематического изображения экспериментальной установки, см. чертеж, использованной для изучения комплексного воздействия УЗ-колебаний и микроволнового поля на ход процесса микроволнового нагрева пищевых продуктов.
Лучший вариант осуществления изобретения
1
2
Предлагаемый способ повышения эффективности микроволновых печей осуществляют следующим образом. В камере нагрева 2, см. чертеж, изготовленной из тонкого листового металла, на верхней стенке установлена полосковая антенна А, элементами которой являются излучатель, представляющий собой диск 4 из хорошо проводящего металла, экран 3 из тонкого хорошо проводящего металла и отрезка коаксиальной линии 5, к которому подключается источник микроволновой энергии (на чертеже не показан). Диск 4 электрически и механически соединен в одной точке с центральным проводником отрезка коаксиальной линии 5, во второй точке - с экраном 3, который установлен через круглое отверстие в центре и зафиксирован на наружной стороне внешнего проводника отрезка коаксиальной линии 5 с помощью прижимной гайки (на чертеже не показана), а посредством двух металлических стоек C и C механически с хорошим электрическим контактом закреплен на верхней стенке камеры нагрева [6].
Полосковая антенна А, см. чертеж, предназначена для возбуждения в камере нагрева 2 электромагнитного поля (ЭМП) с круговой поляризацией.
На нижней стенке камеры нагрева 2 установлен источник УЗ-колебаний, его корпус 1 выполнен из хорошо проводящего металла и имеет форму лотка, внутри которого расположены три УЗ-генератора типа БАГ-1, излучающие модули которых через перфорированные отверстия D=3 мм в горизонтальной стенке корпуса 1 передают УЗ-колебания в стеклянную кювету 6 с водой (либо с другим продуктом). Днище кюветы 6 изготовлено из тонкой эластичной диэлектрической пленки для обеспечения хорошего контакта излучающего модуля 7 с водой (пищевым продуктом), УЗ-отражатель 8 практически исключает излучение УЗ-колебаний в свободное пространство.
Суммарная мощность трех УЗ-генераторов 7 на частоте 40 кГц составляет ~ 10 Вт, мощность, потребляемая от сети 220 В, 50 Гц не более 60 Вт.
2
Согласно предлагаемому изобретению способ повышения эффективности микроволновых печей, основанный на использовании комплексного воздействия на обрабатываемый в рабочей камере печи пищевой продукт энергии микроволнового поля и энергии УЗ-колебаний, заключается в следующем: первый цикл обработки длительностью ≤2 мин состоит только из воздействия на воду (в качестве примера) УЗ-колебаний с частотой 40 кГц, мощностью ~ 10 Вт и плотностью потока более 0,03 Вт/см, вызывающего возникновение кавитации и существенно улучшающего тепломассообмен; во втором цикле совместно с УЗ-колебаниями на обрабатываемый продукт воздействует микроволновое поле с круговой поляризацией и мощностью ~ 580 Вт, обеспечивая требуемое качество тепловой обработки продукта при заметно меньшем потреблении микроволновой энергии.
2
Как показали проведенные исследования, целью которых было установление факта повышения эффективности микроволновых печей при комплексном воздействии на обрабатываемый пищевой продукт микроволнового поля и УЗ-колебаний, положительные результаты имели место в широком диапазоне частот УЗ-колебаний (40÷60) кГц и уже наблюдались при плотности потока >0,02 Вт/см для целого ряда пищевых продуктов (вода, молоко, крупы в воде и др.). Естественно, практика применения предлагаемого способа предусматривает отработку технологий.
Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано в бытовых и коммерческих микроволновых печах, в различном по назначению технологическом оборудовании на базе источников микроволновой энергии.
Источники информации
1. СВЧ-энергетика. Том 2. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности. Под редакцией Э.Окресса. Перевод с англ. Под редакцией Э.Д.Шлифера. М., 1971 г.
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Перевод с немецкого. М., 1975 г.
3. Агранат Б.А. Ультразвуковая технология, М., 1974 г.
4. Перник А.Д. Проблемы кавитации. 2-е изд., Л., 1966 г.
5. Ульразвук. Главн. редактор И.П.Голямина, М., 1979 г.
6. Патент РФ №2149520, регистрация 20.05.2000 г.