Энергетика СВЧ в народном хозяйстве

P = 0,287 E f e * 10,

где f — частота, МГц; E — напряженность электрического поля, В/см; e — коэффициент диэлектрических потерь в продукте.

     Рис. 16. Зависимости коэффициента потерь e и диэлектрической постоянной e говядины от температуры:

1 — для сырого мяса; 2 — для мяса, высушенного сублимационной сушкой (сплошная линия — на частоте 1000 МГц; пунктирная линия — на частоте 3000 МГц).

     На рис. 16 показаны зависимости e и e от температуры сырого и высушенного мяса. По этим кривым видно, что e и e существенно уменьшаются в процессе сушки. Поэтому в первой половине технологического процесса необходимо несколько увеличивать подводимую мощность, но не настолько, чтобы произошло размораживание продукта или возник электрический СВЧ дуговой разряд. При дуговом разряде бесполезно теряется СВЧ мощность и происходит подгорание продукта. Если при атмосферном давлении пробивная напряженность электрического поля 30000 В/см, то при давлении остаточных газов 13,3 — 40 Па имеет место минимальная пробивная напряженность электрического поля, равная около 100 В/см в импульсе. При рабочих же давлениях в сушильных камерах менее 8 Па пробивная напряженность поля превышает 170 В/см на частоте 915 МГц и превышает 400 В/см для частоты 2450 МГц.

     В процессе сушки поверхностные слои при СВЧ нагреве становятся практически сухими и обладают малой теплопроводностью, поэтому их температура становится положительной и может достигать нескольких десятков градусов. Максимальная температура высушенных частей не должна превышать определенных для каждого вида продуктов значений, чтобы не произошло ухудшение качества. Так, для говядины максимально допустимая температура +50°C, а для свинины — +40°C. Таким образом, чтобы не произошло перегрева наружных слоев, в конце процесса сушки надо уменьшить подводимую СВЧ мощность.

     С другой стороны, как видно из рис. 16, при температурах ниже нуля потери (e) примерно на порядок меньше, чем при комнатной и более высоких температурах. Это говорит о том, что только на СВЧ, учитывая множитель f в формуле для P, можно получить достаточную для сушки и равномерно распределенную по объему мощность путем выбора рабочей частоты в пределах 800 — 2500 МГц. В данном случае применимы рекомендации по конструированию камер для СВЧ нагрева, справедливые при малых потерях в диэлектрике.

     Чтобы уменьшить опасность пробоя конструкция камер должна быть такова, чтобы электрическое поле в продукте было максимальным, а в окружающем вакууме не превышала допустимого значения. В простейшем случае этого можно достигнуть, помещая подвергающиеся сушке продукты между широкими стенками прямоугольного волновода с волной H10 вблизи его продольной оси.

Примеры применения СВЧ нагрева для приготовления пищи

     В настоящее время СВЧ печи могут найти применение не только в общественном питании (рестораны, столовые, вагоны-рестораны), но и в быту.

     Приготовление мяса. Благодаря выделению тепла во всем объеме довести до готовности мясо с СВЧ печи можно всего лишь за 1 — 5 мин (в сковородке на это требуется 40 мин). Равномерное выделение тепла по объему каждого куска обеспечивает в приготовленном мясе отсутствие непроваренных или непрожаренных мест. Кроме того, при столь быстром подогреве не происходит выпаривание соков, поэтому вкусовые качества получаются более высокими, чем при обычных способах готовки.

     Размораживание мяса, фруктов и овощей. Замороженные продукты приобретают все большую популярность. Однако перед употреблением их необходимо разморозить, что требует длительного времени. После медленного размораживания их качество заметно ниже, чем у свежих продуктов. Чтобы представить выигрыш во времени при использовании СВЧ печей для размораживания, можно привести следующие данные по традиционным способам размораживания. Время оттаивания куска мяса массы 1,3 кг в холодильнике (мясо переложено из морозильной камеры в пространство с плюсовой температурой, близкой к нулю) 24 ч; при комнатной температуре 10 — 12 ч; при использовании вентилятора — 5 — 6 ч; в печи при 72°C или в проточной воде в водонепроницаемой упаковке 3 — 4 ч.

     С помощью СВЧ нагрева разморозить фрукты и овощи можно за 1 — 3 мин. Это дает не только экономию времени, но и настолько увеличивает качество размороженных овощей и фруктов, что они почти не отличаются от свежих.

     Глубина проникания СВЧ поля в замороженное мясо увеличивается с 2,85 см при —1,1°C до 68,7 см при —51°C на частоте 1000 МГц и с 1,5 см при 1,1°C до 42,3 см при —51°C на частоте 3000 МГц. Хотя разница здесь не столь велика, все же считается, что более глубокий прогрев удается обеспечить на более низких частотах, т.е. при рабочей частоте вблизи 1000 МГц, особенно если размеры обрабатываемого продукта превышают 5 см по толщине.

     Торговые автоматы. Широкое распространение в торговле получили автоматы для продажи, например, газированной воды и газет, находят применение на почтах и в гостиницах автоматы по продаже конвертов и открыток и т.д.

     Одной из главных целей применения автоматики в торговле является возможность покупки товаров в любое время суток. Для непортящихся товаров, таких, как газированная вода, сигареты, газеты и пр., эта задача технически решена. Иное дело — автоматы для продажи скоропортящихся продуктов и тем более таких, которые желательно принимать в пищу в горячем виде. С применением СВЧ появилась возможность для проектирования и изготовления подобных автоматов. Потребности в таких автоматах, безусловно, есть: например, на вокзале можно было бы в любое время через несколько минут получить стакан горячего молока, кусок горячей отварной или жареной курицы.

     Принцип торгового автомата для продажи холодный и нескоропортящихся пищевых продуктов известен и применяется в закусочных-автоматах: после опускания жетона или монеты заранее приготовленная порция продукта подается потребителю. При использовании СВЧ техники для создания автоматов по продаже горячих продуктов эта обычная схема должна быть дополнена двумя устройствами: холодильником для хранения продуктов и СВЧ печью, куда после опускания монеты или жетона должны подаваться порции продуктов и где за 1 — 3 мин производится не только их оттаивание, но и нагрев до необходимой температуры. Далее — обычная выдача порции потребителю. Холодильник и СВЧ печь — это уже хорошо отработанные элементы, так что теперь дело за конструкторами и технологами подобных автоматов.

      Значительно более простыми могут быть торговые автоматы, которые выдают замороженные порции продуктов, а покупатель перед употреблением в пищу сам разогревает их в СВЧ печах, установленных в том же зале закусочной-автомата.

     В описанных применениях СВЧ печей реализуются преимущества централизованного приготовления продуктов питания, при котором более эффективно используется квалифицированный персонал, широко применяются механизация и автоматизация трудоемких процессов.

     Питание в больницах. Пищеблоки крупных больниц обычно расположены в отдельных помещениях, и пока оттуда питание доставляется к постели больного, пища становится если не холодной, то чуть теплой. СВЧ печи позволяют преодолеть этот недостаток. Быстрый разогрев блюд можно вести вблизи каждой палаты. Особенно это важно в инфекционных отделениях больниц, где каждую порцию можно разогревать на бумажных тарелочках однократного использования.

     Весьма перспективной представляется организация питания, при которой в больницах пища не готовится, а поступает со специализированных предприятий на склад больницы в виде замороженных или охлажденных порций, откуда персонал, обслуживающий больных питанием, их получает и разогревает в СВЧ печах непосредственно перед подачей больному. Подсчитано, что при такой организации экономится 18% средств на питание. А это означает, что на 18% можно увеличить расходы на продукты при одних и тех же ассигнованиях на питание.

     СВЧ печи в быту. В последнее время, особенно в новых жилых домах вместо газа для приготовления пищи используется электричество. При этом снижается загрязнение воздуха, полностью устраняется опасность взрывов, но электрические плиты сравнительно медленно разогреваются и довольно долго остывают после выключения.

     Следующий шаг по применению электричества в быту — широкое внедрение СВЧ печей. В последние годы ведущие фирмы США и Японии наладили массовый (с 1975 г. свыше 1 млн. шт. в год) выпуск бытовых плит, предназначенных для квартир и коттеджей. Они представляют собой комбинацию обычной трех-четырехкомфорочной электроплиты с СВЧ печью. СВЧ печь может быть расположена как духовка под электроплитой или же над ней в виде шкафчика.

     При широком использовании СВЧ печей в быту получает быстрое развитие и индустрия приготовления замороженных порционных блюд, специально предназначенных для быстрого оттаивания и разогрева в СВЧ печах. Так что в недалеком будущем хозяйки будут покупать порционные замороженные блюда, хранить их в морозильных камерах своих холодильниках и подавать к столу в размороженном и разогретом в СВЧ печах виде через считанные минуты после извлечения из холодильника.

     Рецепт: фаршированная лопатка ягненка.

     Из мяса лопатки ягненка, фаршированного ароматной начинкой из бекона и грибов, легко получается несколько порций.

     25 гр. сливочного масла;

     1 средняя луковица, очищенная и мелко нарезанная;

     100 гр. бекона с прожилками, без шкурки и мелко порубленного;

     100 гр. грибов, порезанных;

     100 гр. свежих хлебных крошек;

     1 яйцо, взбитое;

     соль и перец;

     лопатка ягненка (барашка) с удаленной костью;

     желе из красной смородины;

     На 4 — 6 порций.

     1.  Растопите масло, 30 сек., добавьте лук, бекон и грибы и готовьте до мягкости — около 3 — 5 (7) мин.

     2.  Высыпьте и размешайте хлебные крошки, приправы и яйцо.

     3.  Разложите (разверните) мясо лопатки и распределите по нему начинку.

     4.  Скатайте мясо в сверток округлой формы и перетяните бечевкой.

     5.  Взвесьте и рассчитайте время приготовления.

     6.  Уложите на решетку для жарения и накройте бумажным полотенцем или разорванным мешочком для жарения.

     7.  Готовьте в режиме HIGH (или на 100% P.) 1 — 2 (3) мин. на каждые 450 гр. веса.

     8.  Уменьшите мощность и готовьте в режиме MEDIUM/HIGH (или на 70% P.) половину оставшегося времени или установите заранее автоматический режим переключения мощности со 100% на 70% через заданное время.

     9.  Переверните мясо, нанесите желе из красной смородины и продолжайте готовить ненакрытым.

     10. Свободно оберните фольгой и дайте отстояться из расчета 5 мин. на каждые 450 гр. веса.

     11. Используйте сок, который стек в противень под решеткой для негустой подливы.

     При готовке соблюдайте технику безопасности. Приятного аппетита!

Защита от СВЧ излучений

     Во всех предыдущих параграфах были даны описания мощных СВЧ устройств, в которых генераторы высокочастотных энергии имели мощность около единиц киловатт в непрерывном режиме. Даже если небольшая часть этой мощности просачивается в окружающее установку пространство, это может представлять опасность для окружающих: воздействие достаточно мощного СВЧ излучения на зрение, нервную систему и другие органы человека может вызвать серьезные болезненные явления. Поэтому при работе с мощными источниками СВЧ энергии необходимо неукоснительно соблюдать требования техники безопасности.

     В нашей стране установлена безопасная норма СВЧ излучения, т.е. так называемая санитарная норма — 10 мкВт/см. Она означает, что в месте нахождения обслуживающего персонала мощность потока СВЧ энергии не должна превышать 10 мкВт на каждый квадратный сантиметр поверхности. Эта норма взята с многократным запасом.  Так, например, в США в 60-е годы была норма в 1000 раз большая —  10 мВт/см.

     Следует отметить, что по мере удаления от мест излучения СВЧ мощности — от резонаторных камер или волноведущих систем, где производится обработка с помощью СВЧ энергии, — поток излученной энергии быстро ослабевает (обратно пропорционально квадрату расстояния). Поэтому можно установить безопасную границу, где уровень излучения ниже нормы, и выполнить ее в виде ограждения, за которое нельзя заходить во время выполнения технологического процесса. При этом защитные устройства получаются достаточно простыми и недорогими.

     В бытовых СВЧ печах для предотвращения излучения через загрузочные люки, дверцы и крышки наиболее распространены контактные устройства в виде множества пружинок из листового материала, например бериллиевой бронзы БрБ2. Такие пружинки создают контакт для СВЧ токов по всему периметру загрузочного люка. Подобная система была применена в отечественной СВЧ печи, в ряде японских печей.

     В настоящее время существует несколько видов как твердых, тик и мягких (типа резины) поглощающих материалов, которые уже при толщине в несколько миллиметров обеспечивают практически полное поглощение просачивающейся СВЧ энергии.

     Поглощающий материал закладывается в щели между теми металлическими деталями резонаторных камер или волноведущих структур, которые не могут быть соединены сваркой или пайкой.

     Предотвращение излучения через отверстие для наблюдения или подачи воздуха осуществляется применением металлических трубок достаточно малого внутреннего диаметра и необходимой длины. Такие трубки являются запредельными волноводами и практически не пропускают СВЧ энергию. Необходимо, чтобы внутренний радиус R был в 10 — 15 раз меньше рабочей длины волны. В этом случае погонное затухание (в децибелах на сантиметр) на низшем типе волны H11 может быть приблизительно определено по формуле L=16/R, а общее затухание при длине трубки l становится равным 16l/R дБ.

     Рассмотрим численный пример. Пусть рабочая длина волны l=12,6 см. Возьмем трубку с внутренним радиусом R=9 мм. Пользуясь формулой для L, определим, что на каждом сантиметре длины трубки погонное затухание L=16/0,9=17,8 дБ/см. Если мощность СВЧ колебаний резонатора составляет 1 кВт, а вне трубки будем считать допустимой мощность 1 мкВт, то на длине трубки l должно быть ослабление 1кВт/1мкВт=1/10=10 раз, или 60 дБ. Длина трубки будет l=60/L=60/17,8=3,37 см.

     Окончательно длину трубки с внутренним диаметром 18 мм можно принять равной 4 см. Как видим, безопасный уровень излучения может быть получен при не очень длинных трубках и при достаточно больших диаметрах.

     Для промышленных установок СВЧ нагрева характерна необходимость многоразового открывания и закрывания люков загрузки, и т.д. От этих операций защитные устройства, в особенности контактные, постепенно изнашиваются. Кроме того, с течением времени контактные поверхности окисляются. В результате излучение может возрасти в несколько раз и даже на один-два порядка. Поэтому необходимы систематическое наблюдение за состоянием защитных устройств, проведение периодических замеров уровня излучения. Отсюда и жесткие требования к надежности защитных устройств. Чтобы в эксплуатации нормы облучения не были превышены, заводские сдаточные нормы на излучение делают более жесткими. Так, в Японии допускается увеличение излучения от заводских норм до эксплуатационных при количестве открываний более 100 тыс. раз. Собственно, при таких условиях и проводятся периодические заводские испытания защитных устройств.

Заключение

1	2	3	4	5	6