Обогрев радиоволнами

Введение

Диэлектрический нагрев, также известный как электронный нагрев, радиочастотный нагрев и высокочастотный нагрев, — это процесс, при котором радиочастотное (RF) переменное электрическое поле или радиоволны, или микроволновое электромагнитное излучение нагревают диэлектрический материал. При более высоких частотах этот нагрев обусловлен вращением молекулярных диполей внутри диэлектрика.

Механизм

Молекулярное вращение происходит в материалах, содержащих полярные молекулы, обладающие электрическим дипольным моментом, в результате чего они ориентируются в электромагнитном поле. Если поле осциллирует, как в электромагнитной волне или в быстро осциллирующем электрическом поле, эти молекулы непрерывно вращаются, выстраиваясь по направлению поля. Это явление называется дипольным вращением или дипольной поляризацией. При изменении направления поля молекулы меняют свою ориентацию. Вращающиеся молекулы толкают, тянут и сталкиваются с другими молекулами (за счет электрических сил), распределяя энергию между соседними молекулами и атомами в материале. Процесс передачи энергии от источника к образцу является формой радиационного нагрева. Температура связана со средней кинетической энергией (энергией движения) атомов или молекул в материале, поэтому возбуждение молекул таким образом повышает температуру материала. Таким образом, дипольное вращение – это механизм, посредством которого энергия в форме электромагнитного излучения может повысить температуру объекта. Существуют также многие другие механизмы, посредством которых происходит это преобразование. Дипольное вращение – это механизм, обычно называемый диэлектрическим нагревом, который наиболее заметно проявляется в микроволновой печи, где он наиболее эффективно воздействует на жидкую воду, а также, в меньшей степени, на жиры и сахара. Это связано с тем, что молекулы жиров и сахара значительно менее полярны, чем молекулы воды, и, следовательно, в меньшей степени подвержены воздействию сил, создаваемых переменным электромагнитным полем. Помимо приготовления пищи, этот эффект можно использовать для нагрева твердых тел, жидкостей или газов, при условии, что они содержат электрические диполи. Диэлектрический нагрев включает в себя нагрев электрически изолирующих материалов за счет диэлектрических потерь. Изменяющееся электрическое поле в материале вызывает рассеяние энергии, поскольку молекулы стремятся выстроиться в соответствии 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, и изменяющееся электрическое поле можно рассматривать как аналог электрической компоненты поля вблизи антенны. В этом случае, хотя нагрев достигается за счет изменения электрического поля внутри емкостной полости на радиочастотах (РЧ), фактические радиоволны не генерируются и не поглощаются. В этом смысле эффект является прямым электрическим аналогом нагрева индукцией, который также является эффектом ближнего поля (и, следовательно, не включает радиоволны). Для осуществления диэлектрического нагрева необходимы частоты в диапазоне 10–100 МГц, хотя более высокие частоты работают не менее эффективно или даже лучше, а в некоторых материалах (особенно в жидкостях) более низкие частоты также оказывают значительное нагревающее воздействие, часто из-за более необычных механизмов. Например, в проводящих жидкостях, таких как соленая вода, нагрев вызывается увлечением ионов, поскольку заряженные ионы перемещаются вперед и назад в жидкости под воздействием электрического поля более медленно, сталкиваясь с молекулами жидкости и передавая им кинетическую энергию, которая в конечном итоге преобразуется в молекулярные колебания и, следовательно, в тепловую энергию. Диэлектрический нагрев на низких частотах, как эффект ближнего поля, требует расстояния от электромагнитного излучателя до поглотителя, меньшего, чем ≈ длина волны. Таким образом, это контактный или близкий к контактному процесс, поскольку обычно материал, который необходимо нагреть (обычно неметалл), помещается между металлическими пластинами, выполняющими роль диэлектрика в фактически очень большом конденсаторе. Однако фактический электрический контакт не является необходимым для нагрева диэлектрика внутри конденсатора, поскольку электрические поля, формирующиеся внутри конденсатора, подверженного напряжению, не требуют электрического контакта пластин конденсатора с (непроводящим) диэлектрическим материалом между ними. Поскольку низкочастотные электрические поля проникают в непроводящие материалы гораздо глубже, чем микроволны, нагревая участки воды и организмов глубоко внутри сухих материалов, таких как древесина, этот метод можно использовать для быстрого нагрева и подготовки многих неэлектропроводящих пищевых и сельскохозяйственных продуктов, при условии, что они помещаются между пластинами конденсатора. На очень высоких частотах длина волны электромагнитного поля становится меньше расстояния между металлическими стенками нагревательной камеры или размеров самих стенок. Это происходит внутри микроволновой печи. В таких случаях формируются обычные электромагнитные волны дальнего поля (камера больше не действует как чистый конденсатор, а скорее как антенна), которые поглощаются, вызывая нагрев, но механизм дипольного вращения для передачи тепла остается прежним. Однако микроволны неэффективны для создания нагревающего эффекта низкочастотных полей, который зависит от более медленного движения молекул, например, вызванного увлечением ионов.

Molecular rotation occurs in materials containing polar molecules having an electrical dipole moment, with the consequence that they will align themselves in an electromagnetic field. If the field is oscillating, as it is in an electromagnetic wave or in a rapidly oscillating electric field, these molecules rotate continuously by aligning with it. This is called dipole rotation, or dipolar polarisation. As the field alternates, the molecules reverse direction. Rotating molecules push, pull, and collide with other molecules (through electrical forces), distributing the energy to adjacent molecules and atoms in the material. The process of energy transfer from the source to the sample is a form of radiative heating. Temperature is related to the average kinetic energy (energy of motion) of the atoms or molecules in a material, so agitating the molecules in this way increases the temperature of the material. Thus, dipole rotation is a mechanism by which energy in the form of electromagnetic radiation can raise the temperature of an object. There are also many other mechanisms by which this conversion occurs. Dipole rotation is the mechanism normally referred to as dielectric heating, and is most widely observable in the microwave oven where it operates most effectively on liquid water, and also, but much less so, on fats and sugars. This is because fats and sugar molecules are far less polar than water molecules, and thus less affected by the forces generated by the alternating electromagnetic fields. Outside of cooking, the effect can be used generally to heat solids, liquids, or gases, provided they contain some electric dipoles. Dielectric heating involves the heating of electrically insulating materials by dielectric loss. A changing electric field across the material causes energy to be dissipated as the molecules attempt to line up with the continuously changing electric field. This changing electric field may be caused by an electromagnetic wave propagating in free space (as in a microwave oven), or it may be caused by a rapidly alternating electric field inside a capacitor. In the latter case, there is no freely propagating electromagnetic wave, and the changing electric field may be seen as analogous to the electric component of an antenna near field. In this case, although the heating is accomplished by changing the electric field inside the capacitive cavity at radio frequency (RF) frequencies, no actual radio waves are generated or absorbed. In this sense, the effect is the direct electrical analog of magnetic induction heating, which is also near field effect (thus not involving radio waves). Frequencies in the range of 10–100 MHz are necessary to cause dielectric heating, although higher frequencies work equally well or better, and in some materials (especially liquids) lower frequencies also have significant heating effects, often due to more unusual mechanisms. For example, in conductive liquids such as salt water, ion drag causes heating, as charged ions are "dragged" more slowly back and forth in the liquid under influence of the electric field, striking liquid molecules in the process and transferring kinetic energy to them, which is eventually translated into molecular vibrations and thus into thermal energy. Dielectric heating at low frequencies, as a near field effect, requires a distance from electromagnetic radiator to absorber of less than ≈ of a wavelength. It is thus a contact process or near contact process, since it usually sandwiches the material to be heated (usually a non metal) between metal plates taking the place of the dielectric in what is effectively a very large capacitor. However, actual electrical contact is not necessary for heating a dielectric inside a capacitor, as the electric fields that form inside a capacitor subjected to a voltage do not require electrical contact of the capacitor plates with the (non conducting) dielectric material between the plates. Because lower frequency electrical fields penetrate non conductive materials far more deeply than do microwaves, heating pockets of water and organisms deep inside dry materials like wood, it can be used to rapidly heat and prepare many non electrically conducting food and agricultural items, so long as they fit between the capacitor plates. At very high frequencies, the wavelength of the electromagnetic field becomes shorter than the distance between the metal walls of the heating cavity, or than the dimensions of the walls themselves. This is the case inside a microwave oven. In such cases, conventional far field electromagnetic waves form (the cavity no longer acts as a pure capacitor, but rather as an antenna), and are absorbed to cause heating, but the dipole rotation mechanism of heat deposition remains the same. However, microwaves are not efficient at causing the heating effects of low frequency fields that depend on slower molecular motion, such as those caused by ion drag.

Мощность

Диэлектрический нагрев следует отличать от джоулевого нагрева проводящих сред, который вызывается индуцированными электрическими токами в среде. Для диэлектрического нагрева плотность генерируемой мощности на единицу объема выражается следующим образом:

где ω – угловая частота возбуждающего излучения, εr″ – мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости поглощающего материала, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, а E – напряженность электрического поля. Мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости (зависящей от частоты) является мерой способности диэлектрического материала преобразовывать энергию электромагнитного поля в тепло, также называемую диэлектрическими потерями. (Действительная часть диэлектрической проницаемости соответствует обычному эффекту ёмкости и приводит к реактивной мощности без потерь.) Если проводимость σ материала мала или частота высока, так что σ ≪ ωε, то джоулев нагрев незначителен, и диэлектрический нагрев становится доминирующим механизмом передачи энергии от электромагнитного поля в среду.

Проникновение

Микроволновые частоты проникают в проводящие материалы, включая полутвердые вещества, такие как мясо и живые ткани. Проникновение практически прекращается, когда вся проникающая микроволновая энергия преобразуется в тепло в ткани. Микроволновые печи, используемые для разогрева пищи, не настроены на частоту, оптимальную для поглощения водой. Если бы они были настроены на такую частоту, то вся микроволновая энергия поглощалась бы внешним слоем пищи или жидкости, что привело бы к охлажденной, непрогретой сердцевине и перегретой поверхности. Вместо этого выбирается частота, позволяющая энергии проникать глубже в нагреваемую пищу. Частота бытовой микроволновой печи составляет 2,45 ГГц, а частота оптимального поглощения водой – около 10 ГГц.

Радиочастотное отопление

Использование высокочастотных электрических полей для нагрева диэлектрических материалов было предложено в 1930-х годах. Например, (заявление Bell Telephone Laboratories, датированное 1937 годом) гласит: "Настоящее изобретение относится к системам нагрева диэлектрических материалов, и целью изобретения является равномерный и практически одновременный нагрев таких материалов по всей их массе. В связи с этим было предложено осуществлять одновременный нагрев таких материалов по всей их массе посредством диэлектрических потерь, возникающих в них при воздействии высокого напряжения высокочастотного поля." В этом патенте предлагалось радиочастотное (РЧ) нагревание на частоте от 10 до 20 мегагерц (длина волны от 15 до 30 метров). Такие длины волн значительно превышали размеры используемой полости, поэтому использовались эффекты ближнего поля, а не электромагнитные волны. (В коммерческих микроволновых печах используются длины волн, составляющие всего 1% от этих значений.) В сельском хозяйстве РЧ-нагрев диэлектрических материалов широко тестировался и все чаще применяется для уничтожения вредителей в некоторых сельскохозяйственных культурах после сбора урожая, например, в грецких орехах в скорлупе. Поскольку РЧ-нагрев обеспечивает более равномерный нагрев продуктов по сравнению с микроволновым нагревом, он представляет собой перспективный метод быстрой переработки пищевых продуктов. В медицине РЧ-нагрев тканей тела, известный как диатермия, используется для мышечной терапии. Нагрев до более высоких температур, называемый гипертермией, применяется для уничтожения раковых и опухолевых тканей. РЧ-нагрев используется в деревообрабатывающей промышленности для отверждения клеев, применяемых при производстве фанеры, соединениях "ласточкин хвост" и изготовлении мебели. РЧ-нагрев также может использоваться для ускорения сушки древесины.

Микроволновое отопление

Микроволновое нагревание, в отличие от радиочастотного нагрева, является подкатегорией диэлектрического нагрева на частотах выше 100 МГц, при которых электромагнитная волна может быть излучена от компактного излучателя и направлена в пространство к объекту. Современные микроволновые печи используют электромагнитные волны с электрическими полями значительно более высокой частоты и меньшей длины волны, чем радиочастотные нагреватели. Типичные бытовые микроволновые печи работают на частоте 2,45 ГГц, но существуют также печи на 915 МГц. Это означает, что при микроволновом нагревании используются волны длиной от 0,1 до 10 см. Это обеспечивает высокую эффективность, но меньшую глубину проникновения при диэлектрическом нагреве. Хотя для микроволновых частот можно использовать систему пластин, подобную конденсатору, она не обязательна, поскольку микроволны уже присутствуют в виде электромагнитного излучения дальнего поля, и для их поглощения не требуется такой близости к небольшой антенне, как при радиочастотном нагреве. Соответственно, материал, подлежащий нагреву (неметалл), можно просто поместить на пути волны, и нагрев будет происходить бесконтактным способом, не требующим использования ёмкостных проводящих пластин.

Применение в пищевых продуктах

При сушке пищевых продуктов диэлектрический нагрев обычно комбинируют с традиционным нагревом. Его можно использовать для предварительного нагрева продукта перед подачей в сушилку с горячим воздухом. Быстро повышая температуру продукта и способствуя перемещению влаги к поверхности, можно сократить общее время сушки. Диэлектрический нагрев может применяться на середине цикла сушки, когда продукт переходит в фазу снижения скорости сушки. Это позволяет увеличить скорость сушки. Если диэлектрический нагрев применяется в конце сушки горячим воздухом, это также может значительно сократить время сушки и, следовательно, повысить производительность сушилки. Чаще всего диэлектрический нагрев используют на поздних стадиях сушки. Одно из основных применений радиочастотного (РЧ) нагрева – послевыпечка печенья. Цель выпечки печенья – получение продукта нужного размера, формы, цвета и влажности. В обычной печи снижение влажности до требуемого уровня может занимать значительную часть общего времени выпечки. Применение РЧ-нагрева позволяет сократить время выпечки. Печь настраивается для получения печенья нужного размера, формы и цвета, а РЧ-нагрев используется для удаления остаточной влаги, без перегрева уже сухих участков печенья. Производительность печи можно увеличить более чем на 50% за счет использования РЧ-нагрева. Послевыпечка с использованием РЧ-нагрева также применяется к завтрачным хлопьям и детскому питанию на основе злаков. Качество пищевых продуктов максимально сохраняется и улучшается при использовании электромагнитной энергии по сравнению с традиционным нагревом. Традиционный нагрев приводит к большим перепадам температуры и увеличению времени обработки, что может вызвать переработку поверхности продукта и ухудшение его общего качества. Электромагнитная энергия позволяет достигать более высоких температур обработки за более короткое время, что способствует сохранению большего количества питательных и органолептических свойств.