Dielektrische Heizung - Dielectric heating

Ein Mikrowellenherd verwendet eine dielektrische Erwärmung zum Kochen von Speisen.

Dielektrische Erwärmung , auch bekannt als elektronische Erwärmung , Hochfrequenzerwärmung und Hochfrequenzerwärmung , ist der Prozess, bei dem ein hochfrequentes elektrisches Hochfrequenzfeld oder eine elektromagnetische Radiowellen- oder Mikrowellenstrahlung ein dielektrisches Material erwärmt . Bei höheren Frequenzen wird diese Erwärmung durch molekulare Dipolrotation innerhalb des Dielektrikums verursacht.

Mechanismus

Molekulare Rotation tritt in Materialien auf, die polare Moleküle mit einem elektrischen Dipolmoment enthalten , mit der Folge, dass sie sich in einem elektromagnetischen Feld ausrichten . Wenn das Feld schwingt, wie es sich in einer elektromagnetischen Welle oder in einem schnell oszillierenden elektrischen Feld befindet, drehen sich diese Moleküle kontinuierlich, indem sie sich mit ihm ausrichten. Dies wird als Dipolrotation oder dipolare Polarisation bezeichnet. Wenn sich das Feld abwechselt, kehren die Moleküle die Richtung um. Rotierende Moleküle drücken, ziehen und kollidieren mit anderen Molekülen (durch elektrische Kräfte) und verteilen die Energie auf benachbarte Moleküle und Atome im Material. Der Prozess der Energieübertragung von der Quelle zur Probe ist eine Form der Strahlungserwärmung.

Die Temperatur hängt mit der durchschnittlichen kinetischen Energie (Bewegungsenergie) der Atome oder Moleküle in einem Material zusammen. Wenn Sie also die Moleküle auf diese Weise bewegen, erhöht sich die Temperatur des Materials. Somit ist die Dipolrotation ein Mechanismus, durch den Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung die Temperatur eines Objekts erhöhen kann. Es gibt auch viele andere Mechanismen, durch die diese Umwandlung erfolgt.

Die Dipolrotation ist der Mechanismus, der normalerweise als dielektrische Erwärmung bezeichnet wird, und ist am weitesten im Mikrowellenofen zu beobachten, wo er am effektivsten mit flüssigem Wasser und, aber viel weniger mit Fetten und Zuckern arbeitet . Dies liegt daran, dass Fette und Zuckermoleküle weitaus weniger polar sind als Wassermoleküle und daher weniger von den Kräften beeinflusst werden, die durch die elektromagnetischen Wechselfelder erzeugt werden. Außerhalb des Kochens kann der Effekt im Allgemeinen zum Erhitzen von Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen verwendet werden, vorausgesetzt, sie enthalten einige elektrische Dipole.

Bei der dielektrischen Erwärmung werden elektrisch isolierende Materialien durch dielektrischen Verlust erwärmt . Ein sich änderndes elektrisches Feld über dem Material bewirkt, dass Energie abgeführt wird, wenn die Moleküle versuchen, sich mit dem sich ständig ändernden elektrischen Feld auszurichten. Dieses sich ändernde elektrische Feld kann durch eine elektromagnetische Welle verursacht werden, die sich im freien Raum ausbreitet (wie in einem Mikrowellenofen), oder es kann durch ein schnell wechselndes elektrisches Feld innerhalb eines Kondensators verursacht werden. Im letzteren Fall gibt es keine sich frei ausbreitende elektromagnetische Welle, und das sich ändernde elektrische Feld kann als analog zur elektrischen Komponente eines Antennennahfelds angesehen werden . In diesem Fall werden, obwohl die Erwärmung durch Ändern des elektrischen Feldes innerhalb des kapazitiven Hohlraums bei Hochfrequenzfrequenzen (RF) erreicht wird, keine tatsächlichen Funkwellen erzeugt oder absorbiert. In diesem Sinne ist der Effekt das direkte elektrische Analogon der magnetischen Induktionserwärmung , das auch ein Nahfeldeffekt ist (also keine Funkwellen beinhaltet).

Frequenzen im Bereich von 10 bis 100  MHz sind erforderlich, um eine dielektrische Erwärmung zu verursachen, obwohl höhere Frequenzen gleich gut oder besser funktionieren, und in einigen Materialien (insbesondere Flüssigkeiten) haben niedrigere Frequenzen auch signifikante Erwärmungseffekte, häufig aufgrund ungewöhnlicherer Mechanismen. Beispielsweise führt in leitfähigen Flüssigkeiten wie Salzwasser ein Ionenwiderstand zu einer Erwärmung, da geladene Ionen in der Flüssigkeit unter dem Einfluss des elektrischen Feldes langsamer hin und her "gezogen" werden, dabei auf flüssige Moleküle treffen und kinetische Energie übertragen sie, die schließlich in molekulare Schwingungen und damit in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Die dielektrische Erwärmung bei niedrigen Frequenzen als Nahfeldeffekt erfordert einen Abstand vom elektromagnetischen Strahler zum Absorber von weniger als 1 /. 2 π ≈ 1 /. 6 einer Wellenlänge. Es ist somit ein Kontaktprozess oder ein Kontaktkontaktprozess, da es normalerweise das zu erhitzende Material (normalerweise ein Nichtmetall) zwischen Metallplatten einschließt, die den Platz des Dielektrikums in einem effektiv sehr großen Kondensator einnehmen . Ein tatsächlicher elektrischer Kontakt ist jedoch nicht erforderlich, um ein Dielektrikum in einem Kondensator zu erwärmen, da die elektrischen Felder, die sich in einem Kondensator bilden, der einer Spannung ausgesetzt ist, keinen elektrischen Kontakt der Kondensatorplatten mit dem (nicht leitenden) dielektrischen Material zwischen den Platten erfordern . Da niederfrequente elektrische Felder nichtleitende Materialien viel tiefer durchdringen als Mikrowellen, Heizungstaschen von Wasser und Organismen tief in trockenen Materialien wie Holz, können damit viele nicht elektrisch leitende Lebensmittel und landwirtschaftliche Gegenstände schnell erhitzt und zubereitet werden solange sie zwischen die Kondensatorplatten passen.

Bei sehr hohen Frequenzen wird die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes kürzer als der Abstand zwischen den Metallwänden des Heizhohlraums oder als die Abmessungen der Wände selbst. Dies ist in einem Mikrowellenherd der Fall . In solchen Fällen bilden sich herkömmliche elektromagnetische Fernfeldwellen (der Hohlraum wirkt nicht mehr als reiner Kondensator, sondern als Antenne) und werden absorbiert, um eine Erwärmung zu verursachen, aber der Dipolrotationsmechanismus der Wärmeabscheidung bleibt der gleiche. Mikrowellen sind jedoch nicht effizient darin, die Erwärmungseffekte von Niederfrequenzfeldern zu verursachen, die von einer langsameren molekularen Bewegung abhängen, wie sie beispielsweise durch Ionenwiderstand verursacht werden.

Leistung

Die dielektrische Erwärmung muss von der Joule'schen Erwärmung leitender Medien unterschieden werden, die durch induzierte elektrische Ströme in den Medien verursacht wird. Für die dielektrische Erwärmung ist die erzeugte Leistungsdichte pro Volumen gegeben durch:

${\ displaystyle Q = \ omega \ cdot \ varepsilon _ {\ mathrm {r}} '' \ cdot \ varepsilon _ {0} \ cdot E ^ {2},}$

wobei ω die Winkelfrequenz der anregenden Strahlung ist, ε _{r '} ' der Imaginärteil der komplexen relativen Permittivität des absorbierenden Materials ist, ε ₀ die Permittivität des freien Raums und E die elektrische Feldstärke ist . Der Imaginärteil der (frequenzabhängigen) relativen Permittivität ist ein Maß für die Fähigkeit eines dielektrischen Materials, elektromagnetische Feldenergie in Wärme umzuwandeln.

Wenn die Leitfähigkeit σ des Materials gering ist , oder die Frequenz hoch ist , so dass σ « ωε (mit ε = ε _r " · ε ₀ ), dann wird eine dielektrische Erwärmung ist der vorherrschende Mechanismus des Verlustes von Energie aus dem elektromagnetischen Feld in der Mittel.

Penetration

Mikrowellenfrequenzen durchdringen leitfähige Materialien, einschließlich halbfester Substanzen wie Fleisch und lebendes Gewebe. Das Eindringen hört im Wesentlichen dort auf, wo die gesamte eindringende Mikrowellenenergie in Wärme im Gewebe umgewandelt wurde. Mikrowellenöfen zum Erhitzen von Lebensmitteln sind nicht auf die Frequenz für eine optimale Absorption durch Wasser eingestellt. Wenn dies der Fall wäre, würde das betreffende Stück Lebensmittel oder Flüssigkeit die gesamte Mikrowellenstrahlung in seiner äußeren Schicht absorbieren, was zu einem kühlen, nicht erhitzten Zentrum und einer überhitzten Oberfläche führen würde. Stattdessen lässt die gewählte Frequenz die Energie tiefer in das erhitzte Lebensmittel eindringen. Die Frequenz eines Haushaltsmikrowellenofens beträgt 2,45 GHz, während die Frequenz für eine optimale Absorption durch Wasser etwa 10 GHz beträgt.

Hochfrequenzheizung

Die Verwendung hochfrequenter elektrischer Felder zum Erhitzen dielektrischer Materialien wurde in den 1930er Jahren vorgeschlagen. Beispielsweise heißt es im US-Patent 2,147,689 (Anmeldung von Bell Telephone Laboratories, datiert 1937): " Diese Erfindung betrifft Heizsysteme für dielektrische Materialien, und die Aufgabe der Erfindung besteht darin, solche Materialien gleichmäßig und im Wesentlichen gleichzeitig über ihre gesamte Masse zu erwärmen. Es wurde vorgeschlagen daher solche Materialien gleichzeitig über ihre Masse mittels des in ihnen erzeugten dielektrischen Verlusts zu erhitzen, wenn sie einem Hochspannungs-Hochfrequenzfeld ausgesetzt werden. "Dieses Patent schlug eine Hochfrequenz (RF) -Erwärmung auf 10 bis 20 Megahertz (Wellenlänge 15 bis 15) vor 30 Meter). Solche Wellenlängen waren weitaus länger als der verwendete Hohlraum und nutzten daher Nahfeldeffekte und keine elektromagnetischen Wellen. (Kommerzielle Mikrowellenherde verwenden Wellenlängen, die nur 1% so lang sind.)

In der Landwirtschaft wurde die dielektrische HF-Erwärmung umfassend getestet und wird zunehmend verwendet, um Schädlinge in bestimmten Nahrungspflanzen nach der Ernte abzutöten, beispielsweise Walnüsse, die sich noch in der Schale befinden. Da die HF-Erwärmung Lebensmittel gleichmäßiger erwärmen kann als dies bei der Mikrowellenerwärmung der Fall ist, ist die HF-Erwärmung eine vielversprechende Möglichkeit, Lebensmittel schnell zu verarbeiten.

In der Medizin wird die als Diathermie bezeichnete HF-Erwärmung des Körpergewebes zur Muskeltherapie verwendet. Die als Hyperthermietherapie bezeichnete Erwärmung auf höhere Temperaturen wird zur Abtötung von Krebs und Tumorgewebe eingesetzt.

HF-Heizung wird in der Holzindustrie verwendet, um Klebstoffe zu härten, die bei der Herstellung von Sperrholz, beim Fingerverbinden und beim Möbelbau verwendet werden. HF-Heizung kann auch verwendet werden, um das Trocknen von Holz zu beschleunigen.

Mikrowellenheizung

Neben dem Erhitzen von Lebensmitteln werden in vielen industriellen Prozessen häufig Mikrowellen zum Erhitzen verwendet. Ein industrieller Mikrowellentunnelofen zum Erhitzen von Kunststoffteilen vor dem Extrudieren.

Die Mikrowellenerwärmung ist im Gegensatz zur HF-Erwärmung eine Unterkategorie der dielektrischen Erwärmung bei Frequenzen über 100 MHz, bei der eine elektromagnetische Welle von einem Emitter kleiner Dimension ausgelöst und durch den Raum zum Ziel geführt werden kann. Moderne Mikrowellenöfen nutzen elektromagnetische Wellen mit elektrischen Feldern mit viel höherer Frequenz und kürzerer Wellenlänge als HF-Heizungen. Typische Haushaltsmikrowellenöfen arbeiten mit 2,45 GHz , es gibt jedoch auch 915 MHz- Öfen. Dies bedeutet, dass die beim Mikrowellenerhitzen verwendeten Wellenlängen 0,1 cm bis 10 cm betragen. Dies sorgt für eine hocheffiziente, aber weniger durchdringende dielektrische Erwärmung.

Obwohl ein kondensatorartigen Satz von Platten bei Mikrowellenfrequenzen verwendet werden können, sind sie nicht erforderlich, da die Mikrowellen , wie bereits vorhandenen Fernfeldtyp EM - Strahlung, und deren Absorption die gleiche Nähe zu einer kleinen Antenne erfordert nicht als HF - Erwärmung tut . Das zu erhitzende Material (ein Nichtmetall) kann daher einfach in den Wellenweg gebracht werden, und das Erhitzen erfolgt in einem berührungslosen Prozess, der keine kapazitiven leitenden Platten erfordert.

Volumetrische Mikrowellenerwärmung

Das volumetrische Erwärmen mit Mikrowellen ist ein im Handel erhältliches Verfahren zum Erhitzen von Flüssigkeiten, Suspensionen oder Feststoffen in einem kontinuierlichen Fluss im industriellen Maßstab. Die volumetrische Mikrowellenerwärmung hat eine größere Eindringtiefe von bis zu 42 Millimetern (1,7 Zoll), was eine gleichmäßige Durchdringung des gesamten Volumens des fließenden Produkts darstellt. Dies ist bei kommerziellen Anwendungen von Vorteil, bei denen eine längere Haltbarkeit erreicht werden kann, wobei die mikrobielle Abtötung bei Temperaturen von 10 bis 15 ° C niedriger ist als bei Verwendung herkömmlicher Heizsysteme.

Anwendungen der volumetrischen Mikrowellenerwärmung umfassen:

• Pasteurisierung
• Flash-Pasteurisierung
• Mikrowellenchemie
• Sterilisation
• Lebensmittelkonservierung
• Biokraftstoffproduktion

Lebensmittelanwendung

Beim Trocknen von Lebensmitteln wird die dielektrische Erwärmung üblicherweise mit der herkömmlichen Erwärmung kombiniert. Es kann verwendet werden, um das Futter zu einem Heißlufttrockner vorzuwärmen. Indem die Temperatur des Futters schnell erhöht wird und Feuchtigkeit an die Oberfläche gelangt, kann die Gesamttrocknungszeit verkürzt werden. Die dielektrische Erwärmung kann während des Trocknungszyklus angewendet werden, wenn das Lebensmittel in die Fallratenperiode eintritt. Dies kann die Trocknungsrate erhöhen. Wenn gegen Ende der Heißlufttrocknung eine dielektrische Erwärmung angewendet wird, kann dies auch die Trocknungszeit erheblich verkürzen und somit den Durchsatz des Trockners erhöhen. Es ist üblicher, in späteren Trocknungsstufen eine dielektrische Erwärmung zu verwenden. Eine der Hauptanwendungen der HF-Erwärmung ist das Nachbacken von Keksen. Das Ziel beim Backen von Keksen ist es, ein Produkt mit der richtigen Größe, Form, Farbe und dem richtigen Feuchtigkeitsgehalt herzustellen. In einem herkömmlichen Ofen kann das Reduzieren des Feuchtigkeitsgehalts auf das gewünschte Niveau einen großen Teil der gesamten Backzeit in Anspruch nehmen. Die Anwendung von HF-Erwärmung kann die Backzeit verkürzen. Der Ofen ist so eingestellt, dass Kekse mit der richtigen Größe, Form und Farbe hergestellt werden. Mit der HF-Erwärmung wird jedoch die verbleibende Feuchtigkeit entfernt, ohne dass die bereits trockenen Teile des Kekses übermäßig erhitzt werden. Die Kapazität eines Ofens kann durch die Verwendung von HF-Heizung um mehr als 50% erhöht werden. Das Nachbacken durch HF-Erhitzen wurde auch auf Frühstückszerealien und Babynahrung auf Getreidebasis angewendet.

Die Lebensmittelqualität wird maximiert und mit elektromagnetischer Energie besser erhalten als mit herkömmlicher Heizung. Herkömmliches Erhitzen führt zu großen Temperaturunterschieden und längeren Verarbeitungszeiten, was zu einer Überbearbeitung der Lebensmitteloberfläche und einer Beeinträchtigung der Gesamtqualität des Produkts führen kann. Elektromagnetische Energie kann in kürzeren Zeiten höhere Verarbeitungstemperaturen erreichen, daher bleiben mehr ernährungsphysiologische und sensorische Eigenschaften erhalten.

Siehe auch

• Dielektrisches Schweißen
• Spezifische Absorptionsrate
• Elektrochirurgie , die eine direkte Joule-Erwärmung des Gewebes erfordert und somit direkt hochfrequente Ströme überträgt

Verweise

Externe Links