Mecanisme de Incalzire Cu Microunde

8/8/2019 Mecanisme de Incalzire Cu Microunde

http://slidepdf.com/reader/full/mecanisme-de-incalzire-cu-microunde 1/15



Mecanisme de încălzire cu microunde

Alimentele sunt, în general, slabi izolatoatori electrici. Ele au capacitatea dea magazina şi disipa energie electrică când sunt supuse unui câmp

electromagnetic.Proprietăţile dielectrice joacã un rol important în procesul de stabilire ainteracţiunii între câmpul electric şi alimente.

Proprietăţile dielectrice ale unui material sunt date de:

ɛ=ɛ’-jɛ’’=|ɛ|e-jδ

unde: ɛ = constantă dielectricã relativ complexãɛ '= constantă dielectricã relativãɛ "=factor de pierderi dielectric relativ

δ = unghi de pierderi dielectric (tan δ = ɛ"/ ɛ")

ɛ' - depinde de capacitatea materialului de a stoca energie electricã (de vidɛ'=1), în timp ce ɛ" indică disiparea energiei electrice din diferite mecanisme.Permeabilitatea magneticã pentru majoritatea materialelor biologice este aceeaşicu cea a aerului (μ0=4π10-7 W/AM). Prin urmare, aceste materiale nuinteracţionează cu componenta undelor electromagnetice a câmpul magnetic.Materiale magnetice cum ar fi ferita interacţionează cu câmpul magnetic,

rezultând cãldurã. Conversia componentei electrice a microundelor în energietermicã a unui material permeabil poate fi calculatã astfel:

Pv=5.56*10-11*f ɛ’’E2

Unde: Pv = puterea de conversie pe unitatea de volum (W/m3)f = frecvenţa (Hz)ɛ"= factorul de pierderi dielectric relativE = câmp electric (V/m)

În teorie, conducţia electricã şi diversele mecanisme de polarizare (inclusivdipolii, electronice, atomice şi Maxwell-Wagner) contribuie la factorul de

pierderi dielectric . Pe o scarã de frecvenţã a microundelor din punct de vedereal importanţei practice în procesarea alimentelor; conducţia şi rotaţia dipolilor sunt principalele mecanisme care aduc pierderi.. Astfel:ɛ

’’=ɛd’’+ɛσ

’’= ɛd’’+σ/(ɛ0ω)

"d" şi "σ" reprezintã rotaţia dipolilor şi conducţia ionică; ω reprezintă frecvenţaunghiularã a microundelor, iar ɛ0 este permitivitatea aerului (8.85*10-12 F/m).



În intervalul de frecvenţă: 1 kHz - 100 MHz, polarizarea Maxwell-Wagner joacăun rol foarte important, dar ea nu este, de obicei luatã în considerare înîncălzirea cu microunde.

Fig 1. Contribuţia diferitelor mecanisme asupra factorului de pierderi aumiditãţii materialelor în funcţie de frecvenţã şi de temperaturã.



Factorii care afectează proprietăţile dielectrice ale alimentelor

Proprietăţile dielectrice ale produselor alimentare sunt afectate de mai mulţifactori, inclusiv frecvenţa microundelor, temperatura alimentelor, umiditate,conţinutul de sare şi de alţi constituenţi.

Efectele frecvenţei şi a temperaturii

În sistemul alimentar, schimbarea proprietăţilor dielectrice în raport cutemperatura depinde de frecvenţă, de conductivitatea ionică, de umiditate şi decompoziţia materialului. De exemplu, la frecvenţa microundelor utilizatã înindustria alimentară, atât constanta dielectricã, cât şi factorul de pierderi datorat

polarizãrii apei în produsele alimentare cresc cu temperatura. Pe de

altă parte, aceste două proprietăţi ale apei scad, atunci când temperatura creşte.Un concept important în a înţelege modul în care frecvenţa şi temperaturaafectează proprietăţile dielectrice cauzate de rotaţia dipolilor, este timpul dedestindere(τ). Este definit ca timpul necesar pentru orientarea moleculelor,într-un câmp electrostatic extern, pentru a se destinde pânã la 1/e (sau 36.8%)din starea iniţialã pentru eliminarea bruscă a campului extern. În general, cu câtsunt mai mari moleculele, cu atât mai lung va fi timpul de relaxare. Pentru unlichid pur, cum ar fi apa, factorul de pierderi dielectric ɛd" atinge maximul lafrecvenţa de destindere (f c=1/(2πτ)).

Timpul de destindere (τ) al apei la 20o

C variazã între 0,0071 şi 0,00148 ns, carecorespunde unui maxim în ɛd" de aproximativ 16 GHz. Moleculele de apã suntcei mai importanţi constituenţi care contribuie la proprietãţile dielectrice alealimente. Moleculele de apã dispuse pe suprafaţa alimentelor solide într-unulsau mai multe straturi au timpi de destindere mai lungi decât moleculele de apãlibere. De exemplu, timpul de destindere al apei în diferite produse alimentare la20 ° C a fost determinat între 0.98 ns şi 2.00 ns, care corespunde unui maxim înɛd"de aproximativ 100 MHz. Harvey şi Hoekstra (1972) au constatat că ɛd" alunui strat de apa dispus pe suprafaţa lisozimei are valoarea de 200 MHz (2*108

Hz) şi ɛd" pentru un strat secundar de apă are valoarea de 10 GHz (10 10 Hz) (Fig.2 şi 3).



FRECVENŢA (HZ)

Fig 2. Constanta dielectricã (ɛ’) şi factorul de pierderi (ɛ’’) în funcţie defrecvenţã pentru probe de lisozimã care conţin mai mult de un singur strat de apala 25oC.

FRECVENŢA (HZ)



Fig 3. Constanta dielectricã (ɛ’) şi factorul de pierderi (ɛ’’) în funcţie defrecvenţã pentru probe de lisozimã care conţin douã straturi apropiate de apã la25oC. Cele douã dispersii corespund primului şi celui de-al doilea strat de apã.

Timpul de destindere pentru moleculele sferice depinde de vâscozitate şitemperaturã ca urmare a mişcãrii Browniane:

τ=V(3ν/kT)

Unde: ν este vâscozitatea, T este temperatura absolutã, V este volumul sferei, iar k este o constantã. Pentru moleculele de apã nonsferice relaţia este urmãtoarea:

τ= ν/T

vâscozitatea tuturor fluidelor scade odatã cu creşterea temperaturii:

ν= νoe(Ea/RT)

Unde: Ea este energia de activare şi R este constanta universalã a gazelor.Prin urmare, o datã cu creşterea temperaturii, timpul de destindere pentru apăscade. Prin scãderea timpului de destindere (frecvenţa la ɛd’’ maxim creşte odatãcu creşterea temperaturii) se reduce şi valoarea ɛd’’ pentru apã la o anumitãfrecvenţã a microundelor (fig. 4).



Fig. 4 Efectul temperaturii asupra comportamentului dielectric al apei libere(ω=2πf, f este frecvenţa exprimatã în Hz)

De exemplu, dacã timpul de destindere (τ) scade odatã cu creşterea temperaturii,frecvenţa punctului de dispersie creşte, iar factorul de pierderi al apei pure, la2450 MHz (2.45 *109 Hz) scade cu creşterea temperaturii.De asemenea scade constanta dielectricã ɛ’ a apei libere odatã cu creştereatemperaturii ca rezultat a creşterii mişcãrii Browniene.Factorul de pierderi dielectric ɛσ’’ datoritã conducţiei ionice scade odatã cu

creşterea frecvenţei. Contribuţia acestui factor la factorul de pierderi total estemai mic la 2450 MHz (2.45*109 Hz) decât la 915 MHz (0.915*109 Hz)(Fig. 5).



FRECVENŢA (HZ)

Fig. 5 Efectul temperaturii asupra proprietãţilor dielectrice ale unei soluţii 0,5 Nde clorura de sodiu.

Conductivitatea electricã σ în soluţii ionice creşte cu temperatura datoritãscãderii vâscozitãţii şi totodatã creşterii mobilitãţii ionilor. De aceea, bazându-ne

pe ecuaţia 3 putem spune cã ɛσ’’ creste odatã c creşterea temperaturii (fig. 5). Deexemplu, la 915 MHz constanta dielectricã a soluţiilor ionice creşte în generalodatã cu temperatura. Figura 6 prezintã efectele temperaturii şi frecvenţei asupraconstantei dielectrice (ɛ’) şi a factorului de pierderi(ɛ’’) la brânza de vaci cu0.5% NaCl.



Gheaţa este aproape transparentã la microunde

Tabel 1. Proprietãţile dielectrice ale apei şi gheţii la 2450 MHz

Starea apei Constanta dielectricã

relativã (ɛ’)

Factorul de

pierderi (ɛ’’)

Tangenta de

pierderi (tan δ)

Apã (25oC) 78 12.5 0.16

Gheaţã 3.2 0.0029 0.0009

Cãnd alimentele sunt congelate, atãt constanta dielectricã cât şi foctorul de pierderi sunt reduse semnificativ, gradul de reducere depinzând de cantitatea de

apã legatã a produsului înainte de îngheţare cât şi de conductivitatea ionicã aapei libere.



Figurile 7 şi 8 prezintã efectul temperaturii asupra proprietãţilor dielectrice aleanumitor alimente la 2450 MHz

TEMPERATURÃ oC

Fig. 7 Influenţa temperaturii asupra constantei dielectrice



TEMPERATURÃ oC

Fig 8 Influenţa temperaturii asupra factorului de pierderi dielectrice

Conţinutul salin ridicat din şunca procesatã termic modificã proprietãţiledielectrice ale acesteia, astfel încât acestea difera foarte mult faţã de restulalimentelor din grafic. Datoritã polarizãrii ionilor, atât constanta dielectricã câtşi factorul de pierderi a şuncii procesate termic cresc cu creşterea temperaturii

pâna peste punctul de îngheţ, contrar proprietãţilor dielectrice a celorlaltealimente ale cãror mecanisme de pierderi sunt determinate de polarizareadipolicã a apei libere. Un avantaj al scãderii factorului de pierderi odatã cu

creşterea temperaturii la alimentele cu salinitae scãzutã la frecvenţe demicrounde este reprezentat de „efectul temperaturii treptate”. Astfel, când oanumitã porţiune a unui aliment este supraîncãliztã, factorul de pierderi al acelei

pãrţi este redus, ceea ce duce la o conversie mai redusã a energiei de microundeîn cãldurã pe acea suprafaţã a produsului şi ajutã la reducerea distribuţieinonuniforme a temperaturii.

Dacã factorul de pierderi dielectric creşte odatã cu temperatura, aparefenomenul de suprasolicitare termicã. De exemplu, când produsele congelate

sunt dezgheţate la o putere a microundelor ridicatã anumite porţiuni ale acestora



se supraîncãlzesc în timp ce altele rãmân îngheţate. Acest fapt se datoreazãdezgheţãrii rapide prin creşterea neuniformã a cãldurii pe aceste porţiuni alealimentelor datoratã creşterii factorului de pierderi al apei libere(Figurile 7 şi 8),care duce la creşterea absorbţiei microundelor, cauzând încãlzirea neuniformã.

În practicã se utilizeazã dezgheţarea cu microunde la o putere mai micã pentrureducerea distribuirii neuniforme a temperaturii.

În procesarea blocurilor mari de carne sau peşte (aducerea acestora de latemperatura de -30oC la câteva grade sub punctul de îngheţ pentru procesareaulterioarã), rãcirea acestor suprafeţe sub punctul de îngheţ previne posibilitateasuprasolicitãrii termice.

Efectul umiditãţii

Datoritã naturii dipole a moleculelor de apã, umiditatea alimentelor esteimportantã în determinarea proprietãţilor dielectrice. În general, cu câtumiditatea este mai ridicatã cu atât constanta dielectricã Şi factorul de pierderiau valori mai ridicate.

La temperaturi de peste 0oC umiditatea in alimente se manifestã sub douãforme: apã liberã şi apã legatã. Componentele apei libere au proprietãţidielectrice similare apei în timp ce apa legatã manifestã proprietãţile gheţii.

Proprietãţile dielectrice ale alimentelor scad foarte rapid cu scãdereaumiditãţii pânã la punctul critic al acesteia. Sub acest punct critic, scãdereafactorului de pierderi al apei legate este mai puţin semnificativã.



Fig. 9 Rata de evaporare şi factorul de pierderi dielectric în funcţie deumiditate

Alţi factori

Salinitatea reduce cantitatea de apã liberã, influenţeazã constanta dielectricãşi pierderile dipolare şi duce la creşterea pierderilor prin conductivitate.

Moleculele de zahãr sunt relativ mari şi nonpolare; creşterea conţinutului dezahãr duce la scãderea constantei dielectrice. Prezenţa acestuia în alimente ducela scãderea frecvenţei timpului de destindere şi la creşterea factorului de pierderidielectrice.

Prezenţa proteinelor şi a amidonului duce la scãderea cu pânã la 50% aconstantei dielectrice a alimentelor şi la creşterea factorului de pierderidielectric.

Modele predictive

Valorile constantei dielectrice şi factorului de pierderi pentru alimentelesolid uscate, grasimi şi uleiuri sunt mici şi sunt relativ independente de

temperaturã şi frecvenţã.



Proprietãţile dielectrice ale anumitor uleiuri şi ale unor produse cu umiditateredusã sunt prezentate în tabelul 2

Tabel 2 Proprietãţile dielectrice ale uleiului şî a altor produse.

Un aliment cu umiditate foarte ridicatã poate fi considerat ca o mixturã întresoluţii dielectrice ionic active şi solide dielectric inerte.

Proprtitãţile dielectrice ale unui amestec în douã faze sunt specifice proprietãţilor dilectrice pentru fiecare component în parte depinzând de fracţiade volum:

ɛm=ɛsVs+ɛc(1-Vs)

unde: ɛm este permitivitatea relativã a amestecului

ɛs este permitivitatea relativã a solidelor

ɛc este permitivitatea relativã a fazei lichide



Vs este volumul fracţionar al solidelor

Potrivit lui Mudget, estimarea rezonabilã a proprietãţilor dielectrice pentrudiferite alimente atât lichide cât şi solide poate fi obţinutã prin relaţia de mai sus.

Totuşi aceastã ecuaţie necesitã estimarea fracţiei de volum pentru faza lichidãsau solidã care este adesea dificilã de obţinut.

Nu a fost dezvoltat încã un model empiric în care proprietãţile dielectrice sãfie în strânsã legãturã cu factorul de masã al diferitelor componente. Deexemplu, bazându-se pe literatura de specialitate, Sun, a dezvoltat o relaţieempiricã pentru a corela proprietãţile unui produs din carne cu temperatura,umiditatea şi alţi constituenţi:

ɛ’=mapã(1.0707-0.0018485*T)+mcenuşã(4.7947)+8.5452 R=0.97ɛ’’= mapã(3.4472-0.01868*T+0.000025*T2)+ mcenuşã(-57.093+0.23109*T2)-3.598

R=0.99

Calay a dezvoltat deasemenea o corelaţie polinomialã empiricã pentru a lega proprietãţile dielectrice ale unui aliment de umiditate şi temperaturã. Datoritãinfluenţei a douã mecanisme de pierderi diferite şi a efectului temperaturii şi acompoziţiei alimentelor, este dificil de dezvoltat o ecuaţie predictivã care sã ţinãcont de influenţa diferiţilor factori numiţi anterior

Mecanisme de Incalzire Cu Microunde

Documents

Transcript of Mecanisme de Incalzire Cu Microunde