На главную

Мастерская Кирилла Недосекова

Разработка, производство, монтаж, обслуживание технологического оборудования для термической обработки, копчения и сушки пищевых продуктов.

Дефростация. СВЧ или что вам никогда не расскажут продавцы микроволновок.

Уважаемые читатели, я приступил к написанию статьи про СВЧ размораживание. Как оказалось, вокруг этого метода столько тайн и мистики, что просто волосы стали дыбом. Я посчитал необходимым вмешаться и разоблачить все глупые выдумки и мифы, которыми полон интернет, с точки зрения физики и здравого смысла. Предупреждаю сторонников культа СВЧ. Будет больно и жестко. Умрут мифы про нагрев изнутри продукта, про чудодейственную силу волны в 915МГц, про деликатность обработки. Вылезут наружу чудовищные потери энергии через систему охлаждения магнетрона, которые тратятся на разогрев помещений, посчитаем КПД магнетрона, и правда ли, что на на нагрев блока весом 20кг потребуется в 3-4 раза больше энергии, чем при классической разморозке. Это и многое другое ждет вас в этом увлекательном повествовании. Итак, за работу и поможет нам физика!

Все потребляемые человеком продукты состоят из воды и растворенных в ней солей (в крови ок.1% NaCl), которые делают из нее слабый электролит. Плохо, но ток проводит. Помещая замороженный кусок мяса в переменное электромагнитное поле, в нем начинают индуцироваться вихревые токи (токи Фуко), протекание которых приведет к преобразованию энергии электромагнитного поля в тепло. Чтобы создать интенсивное электромагнитное поле в бытовых и промышленных СВЧ камерах, используются электромагнитные волны. В домашних микроволновках используется частота 2,4МГц, а в промышленных 915 Мгц. Различие тут только в том, что отличается длина волны. Которую пытливые умы могут получить сами, разделив скорость света на частоту. В первом случае мы получим длину волны 12 см, а во втором – 33 см, эти длины определяют ширину нашей камеры: домашняя микроволновка имеет ширину, кратную двум длинам волн – 24см, а промышленные дефростеры и прочая промышленная СВЧ техника будет иметь шаг кратный 33 см. Полагаю, что расстояние между излучателями будет 66см или 99см. Эта волна как бы запирается между двумя излучателями, а сама волна получила название стоячей. Но в объеме камеры есть узлы этой волны, где интенсивность излучения равна нулю. В домашней микроволновке, как и в камере 66см, есть пять таких узлов: два на стенках камеры, и три в объеме камеры. В более широких камерах этих узлов, соответственно, больше. Дефростируемый продукт может оказаться в зоне низкой или вообще нулевой интенсивности. Именно для этого придуманы подвижные подставки, чтобы равномернее распределять интенсивность поля, избегая попадания в эти узлы.

До этого момента, казалось бы, все протекает гладко. Но тут вмешивается непреодолимая сила, которая разбивает все радужные мечты о благосостоянии всех без исключения торговцев СВЧ дефростеров. Имя этой силе скин-эффект. Физический смысл скин-эффекта – высокочастотные токи протекают только в поверхностном слое проводника (читай – мяса), очень быстро затухая вглубь. Соответственно, электромагнитное поле не может донести вглубь блока с продуктом достаточно энергии, чтобы его разморозить. Известно, что глубина проникновения высокочастотного излучения в 915 МГц - около 2,5 см для мышечной ткани. При этом, разница напряженности поля между поверхностными слоями и толщей падают в несколько раз. Единственным способом сообщить тепло внутрь блока является теплопроводность. Вот и весь мыльный пузырь нагревания изнутри – вранье чистой воды. Надо отметить, что замороженные слои более проницаемы для наших волн. Но это проникание в толщу настолько быстро заканчивается вместе с отеплением поверхностного слоя мяса. Вся технология микроволновой дефростации – это суть перегрев поверхности до некоей предельной точки нагрева, чтобы впоследствии тепло перераспределилось за счет теплопроводности мяса. Именно поэтому нельзя дефростировать мясо до 0, так как это приведет к перегреву внешнего слоя. То есть мясо дефростируют до определенной температуры поверхностного слоя, запасая там тепловую энергию, которая постепенно перейдет от поверхностных слоев к внутренним. Этот опыт вы можете проделать в домашней микроволновке, положив туда кусок мяса из морозилки. Если вы чуточку поторопитесь с разморозкой – мясо сварится снаружи, а внутри останется замороженным. Скорость выравнивания температур зависит только от теплопроводности мяса. Устройство домашней микроволновой камеры не проще и не сложнее промышленных устройств. Дело только в размерах. Микроволновые камеры имеют очень низкий КПД. Микроволновая печь, даже в режиме разморозки просто редко и по времени включает магнетрон, чтобы не перегреть поверхность и дать теплу перераспределиться. Но все время работы домашней микроволновки работает вентилятор, который отводит огромное количество тепла от самого магнетрона. КПД магнетрона около 50%. Промышленные установки имеют внушительные размеры вспомогательных блоков, главной задачей которого является отвод тепла от магнетрона.

С амое интересное. Чтобы разморозить 20 кг говядины до 0, потребуется сообщить ей около 1400Вт энергии. Чтобы разморозить до -2 потребуется всего 500Вт. Такая разница связана с фазовым переходом воды. Именно в моменты фазового перехода и нужно большое количество энергии – почти в два раза больше, чем разморозить от -18 до -20C!

Давайте посчитаем, сколько энергии изведет на охлаждение магнетрона СВЧ-дефростер, а сколько на отепление мяса. 500Вт х 15 блоков по 20кг в час – 7,5кВт потребная мощность на эту задачу. Ну пусть СВЧ-дефростер можно загрузить 2-мя блоками. Тогда потребная мощность возрастет вдвое: 15кВт и 30 блоков. Теперь обратимся к паспортным данным на СВЧ-дефростеры. Установленная мощность таких дефростеров около 80кВт в час. Пусть даже они не работают на полную мощность, а как на обычной домашней микроволновке отключают нагрев (хотя эти отключения снижают производительность). Даже если он работает на половине своей мощности, то это без малого 40кВт. Эта цифра более чем в 3 раза выше, чем то тепло, которое действительно необходимо. Все остальные киловатты стекают, видимо, из системы охлаждения в канализацию в виде горячей воды. А обычный дефростер, с загрузкой, превышающий по удельной загрузке в несколько раз, разморозит мясо до -2 за два-три часа.

Обсудить можно здесь: ЖЖлого http://kirillwin.livejournal.com/

Недосеков Кирилл, 2015

Электропочта - tmeister@mail.ru