Особенности практического применения СВЧ нагрева в пищевой промышленности

За последние семьдесят лет в мире было продано более миллиона промышленных СВЧ нагревательных установок различного назначения для различных отраслей.

СВЧ диэлектрический нагрев был впервые внедрен в пищевую промышленность в начале 1960-х годов. Первые системы были небольших размеров, с воздушным охлаждением и снабжались электродными аппликаторами. Обладали недостатками низкой надежности и нестабильной работы.

Одним из первых в пищевой промышленности СВЧ нагрев применялся в оборудовании для выпечки печенья. Применение микроволновой энергии не ограничивается пищевой промышленностью. СВЧ нагрев успешно применяется на рынках текстиля, стекловолокна, бумаги, пластиковой сварки, предварительного нагрева и деревообработки. Много раз предпринимались попытки выхода на рынок пищевой промышленности России.

Информация об СВЧ нагреве в открытых источниках

Промышленный СВЧ нагрев на высокой мощности обладает множеством специализированных особенностей и в значительной степени опирается на знания, полученные в ходе экспериментов с конкретными материалами.

Полезной информации такого рода печатается немного, в основном публикации ограничиваются базовыми выкладками об СВЧ энергетике. Зачастую большая часть доступной информации в открытых источниках, научных работах и в патентах, оказывается очень урезанной. Во многих случаях это неработоспособные описания.

Принцип работы СВЧ нагрева

Радиочастотные СВЧ нагреватели и микроволновые печи могут работать по принципу прямого или объемного нагрева. Простейшая система радиочастотного аппликатора состоит из двух металлических пластин, образующих конденсатор.

Нагреваемый материал становится диэлектриком. Поэтому у СВЧ нагрева есть синоним — диэлектрический нагрев. Материал поглощает энергию от СВЧ-генератора, который подключен к двум металлическим пластинам, которые обычно называют электродами.

Для большинства нагреваемых веществ изменение температуры происходит за счет молекул воды, которые представляют из себя диполи. Технология СВЧ нагрева применима и к другим ионным веществам.

Процесс высокочастотного нагрева зависит от ионной проводимости нагреваемого материала. Принцип аналогичен работе двух стержневых магнитов. Одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются. Аналогично полярные молекулы воды имеют положительно и отрицательно заряженные ионы. Если две электродные пластины, между которыми находится нагреваемое вещество, заряжены положительно и отрицательно соответственно, молекулы материала будут стремиться выстроиться все в одном направлении электрического поля. Если затем заряд на пластинах меняется на противоположный, молекулы вещества будут стремиться переворачиваться и выстраиваться в противоположном направлении.

Нагрев молекул в обрабатываемых материалах

Обращение заряда заставляет молекулы сталкиваться друг с другом. Это вызывает фрикционный нагрев вещества. Скорость нагрева будет увеличиваться с увеличением частоты электромагнитного поля на пластинах конденсатора. Скорость, с которой кинетическая энергия, создаваемая в диэлектрическом материале, выше, чем скорость, с которой тепло передается в окружающую среду посредством теплопроводности, определяет скорость роста температуры нагреваемого материала.

Очень эффективен нагрев высоких частотах в мегагерцевом диапазоне. Высокочастотные полосы частот СВЧ, используемые в диэлектрическом нагреве, определены на 13,56 МГц, 27,12 МГц и 40,68 МГц. Эти СВЧ частоты используются специально в промышленных, научных и медицинских целях, чтобы избежать возможных помех другим участникам радиочастотного спектра, радиовещанию, спутникам. Особенно часто большинство компаний в технических целях используют полосу 27,12 МГц.

Причины медленного внедрения СВЧ в промышленности

Многолетний анализ различных отраслей промышленности показал относительно медленное внедрение СВЧ технологии в промышленных технологических процессах. Большинство технологов различных отраслей промышленности либо никогда не слышали об СВЧ нагреве, либо, если слышали, то считают этот метод недостаточно проработанным.

СВЧ сушка в текстильной промышленности

Машиностроительные компании поставляют радиочастотное сушильное СВЧ оборудование для многих отраслей промышленности. Например, в текстильной промышленности такие сушилки используются для сушки бобин текстильной пряжи в технологическом процессе окрашивания.

Принцип СВЧ сушки был введен в текстильной промышленности компанией в конце 1970-х годов. Эти технологии появились намного позже, чем первоначальное внедрение в пищевую промышленность. СВЧ сушка текстиля получила всемирное признание и теперь считается преимущественным методом сушки материала над традиционными сушилками с горячим воздухом.

Уже более 25 лет текстильщики задают принципиальный вопрос, аналогичный тому, который задают технологи пищевой промышленности. Промышленники спрашивают «какую мощность будет потреблять СВЧ сушилка и сколько будет стоить это внедрение?». Сейчас в мире эксплуатируется более нескольких тысяч промышленных СВЧ сушилок. Заказчики, попробовав эту технологию, делают повторные заказы на СВЧ оборудование.

В пищевой промышленности внедрение СВЧ технологий нагрева сопровождается дополнительными трудностями. Покупка плохо спроектированного оборудования обычно приводит к проблемам надежности, эффективности и низкой производительности. Технологи и операторы, которые работают с СВЧ не стремятся вникать в технологический процесс. Нередко это бывает в случаях предыдущего неудачного опыта с поставщиком, который не понимал технологию СВЧ должным образом.

Преимущества микроволнового нагрева для пищевых продуктов

Есть несколько важных причин, работающих в пользу микроволновых технологий. Почему инженеры выбирают именно микроволны в спектре радиочастот?

Сегодня практически в каждом доме, общественной столовой и общепите есть хотя бы одна микроволновая печь. Бытовые микроволновые печи относительно недорогие и удобные в эксплуатации. У большинства технологов пищевой промышленности также есть по крайней мере одна микроволновая печь в лабораторном арсенале. Технологи пищевой промышленности при разработке технологических решений, естественно, используют микроволновую печь для разогрева и разморозки. При успехе решение приходит в пользу СВЧ диапазона.

Автоматический контроль влажности в СВЧ системах

Система СВЧ сушки, если она правильно спроектирована, может быть динамически согласована с нагрузкой. Мощность, потребляемая нагрузкой СВЧ генератора, автоматически контролируется самой системой. СВЧ сушилка уникально подходит для контроля влажности. Она способна поддерживать необходимый уровень содержания влаги в продукте, проходящем через сушилку. Если в продукте много влаги, то автоматически потребляется больше энергии.

Этот эффект контроля уровня влажности является уникальной особенностью, характерной для СВЧ систем сушки. В противоположность этому работа с постоянной мощностью не учитывает изменения влажности, которые происходят во всех производственных линиях из-за особенностей работы традиционных горелок.

Контроль качества продукции и экономия производственных площадей

Для многих производств есть проблема расширения производственных площадей. СВЧ технологии может решить эту проблему, имея меньшие габариты при той же мощности.

Вторая большая проблема, особенно в пищевой промышленности, — проверка качества готовой продукции. Это происходит из-за температурного напряжения во время охлаждения. Распределение влажности происходит неравномерно по всей массе материала. СВЧ оборудование для сушки после выпечки, например, может решить эту проблему. Это один из путей сокращения количества брака.

Поскольку СВЧ оборудование нагревает весь объем продукта изнутри синхронно, уровень влажности от по всему объему продукта очень равномерно. Суть регуляции в том, что электромагнитные волны сгущаются там, где содержание влаги больше.

Воздействие СВЧ энергии в этих концентрации влаги увеличивается, и они нагреваются быстрее, чем окружающие области. Процесс становится саморегулирующимся механизмом, посредством которого на микроскопическом уровне радиочастотная энергия распределяется пропорционально уровню влажности в продукте. Создаются дифференциальные уровни нагрева во время воздействия СВЧ радиочастотной энергии. В результате это создает равномерный профиль влажности в продукте.

Решение для увеличения срока годности

При контроле влажности продукта используется среднее содержание влаги в продукте. Содержание влаги не обязательно равномерно распределено по всей массе продукта. Например, когда печенье выходит из духовки и готово к упаковке с остаточной средней влажностью 1%, центр массы печенья может иметь уровни влажности до 5%. Такой упакованный продукт помещается через систему складирования и может ждать отгрузки больше месяца.

Широко известно, что высокая остаточная влажность может привести к быстрому росту микроорганизмов, что, в свою очередь, может сделать продукт бракованным. Преимущества воздействия и контроля влаги в системе сушки СВЧ может очень легко решить эту проблему, что, в свою очередь, помогает увеличить срок хранения и снизить уровень брака.

Решение СВЧ для экономии затрат

Характерным атрибутом сушки СВЧ нагревания любого пористого материала, в котором влага распределена по всей его массе, является пропорциональный характер нагрева внутри вещества. Очевидно, что большая часть энергии требуется для сушки минимального количества влаги. Кроме того, большая часть энергии также используется для повышения температуры продукта. Вредный эффект традиционного нагрева состоит в том, что поверхность может столкнуться с более высокими температурами, чем внутренняя часть продукта. Иногда это может быть вредно для вещества продукта.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании