Каталог готовых работ

Инфракрасный нагрев

Инфракрасный нагрев – это нагрев материалов электромагнитным излучением с длиной волны 1,3-4 мкм (инфракрасное излучение). Инфракрасный нагрев основан на свойстве материалов поглощать определенную часть спектра этого излучения. При соответствующем подборе спектра испускания инфракрасного излучателя достигается глубинный или поверхностный нагрев облучаемого тела, а также его локальная сушка без нагрева всего объекта. Впервые инфракрасный нагрев в промышленном масштабе был применен в 30-х гг. 20 в. в США на заводах Форда для обжига эмали на кузовах автомобилей.

Источником энергии при инфракрасном нагреве служат инфракрасные излучатели, состоящие из собственно источника энергии (нагретого тела) и отражателя. В зависимости от степени нагрева источников их условно подразделяют на низкотемпературные, нагреваемые до температур менее 700°С, среднетемпературные – от 700 до 1500°С, высокотемпературные – выше 1500°С. В качестве источников применяют: трубчатые электрические нагреватели; зеркальные сушильные лампы; электрические нагреватели, состоящие из вольфрамовой спирали, помещенной в герметическую кварцевую трубку, наполненную инертным газом и парами йода, и др. 

Установки инфракрасного нагрева представляют собой камеры, туннели или колпаки, размеры и формы которых соответствуют размерам и форме обрабатываемых изделий. Излучатели укрепляют на внутренней стороне установки; расстояние между ними и поверхностью нагреваемых предметов обычно составляет 15-45 см. В промышленности инфракрасный нагрев широко применяют для нагрева до сравнительно небольших температур низкими тепловыми потоками (сушка лакокрасочных материалов, овощей, фруктов; нагрев термопластических материалов перед формованием; вулканизация каучука и др.).

Прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях ИК излучения и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько сантиметров непрозрачен для ИК излучения с > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для > 1,8 мкм, кремний для > 1,0 мкм). Черная бумага прозрачна в далекой инфракрасной области. Вещества, прозрачные для ИК излучения и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения инфракрасного излучения. Ряд веществ даже в толстых слоях (несколько см) прозрачен в достаточно больших участках инфракрасного спектра. Из таких веществ изготовляются различные оптические детали (призмы, линзы, окна и пр.) инфракрасных приборов.

Мощным источником инфракрасного излучения является Солнце, около 50% излучения которого лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасное излучение. При фотографировании в темноте и в некоторых приборах ночного наблюдения лампы для подсветки снабжаются инфракрасным светофильтром, который пропускает только инфракрасное излучение. Для радиационного обогрева помещений применяют спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~ 950 К. Для лучшей концентрации инфракрасного излучения такие нагреватели снабжаются рефлекторами.

Приемники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приемники инфракрасного излучения. В первых поглощенное инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приемника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приемниках поглощенное инфракрасное излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приемники, в отличие от тепловых, являются селективными приемниками, т.е. чувствительными лишь в определенной области спектра.

Инфракрасное излучение находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ сложного молекулярного состава, например моторного топлива. Благодаря различию коэффициентов рассеяния, отражения и пропускания тел в видимом и инфракрасном излучении, фотография, полученная в инфракрасном излучении, обладает рядом особенностей по сравнению с обычной фотографией.

В промышленности инфракрасное излучение применяется для сушки и нагрева материалов и изделий при их облучении, а также для обнаружения скрытых дефектов изделий.

На основе фотокатодов, чувствительных к инфракрасному излучению (для < 1,3 мкм), созданы специальные приборы – электроннооптические преобразователи, в которых не видимое глазом инфракрасное изображение объекта на фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены различные приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов инфракрасным излучением от специальных источников вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет.

Тепловая обработка продуктов в электромагнитном поле СВЧ

Сверхвысокочастотным называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот. Электромагнитная волна, проникая в объект, взаимодействует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте.

СВЧ устройства для технологических целей работают на частотах, установленных международными соглашениями. Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 (2450) Мгц.

Важное преимущество СВЧ нагрева – тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.

Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.

Важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от длины волны, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь как функции длины волны.

С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов.

Если при нагреве газовым пламенем, а также с помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, то СВЧ энергию можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются.

При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность.

Один из основных  видов применения СВЧ нагрева – приготовления пищи. Так в настоящее время СВЧ печи нашли свое применение не только в общественном питании (рестораны, столовые, вагоны-рестораны), но и в быту.

Благодаря выделению тепла во всем объеме довести до готовности мясо с СВЧ печи можно всего лишь за 1- 5 мин (в сковородке на это требуется 40 мин). Равномерное выделение тепла по объему каждого куска обеспечивает в приготовленном мясе отсутствие непроваренных или непрожаренных мест. Кроме того, при столь быстром подогреве не происходит выпаривание соков, поэтому вкусовые качества получаются более высокими, чем при обычных способах готовки.

Замороженные продукты приобретают все большую популярность. Однако перед употреблением их необходимо разморозить, что требует длительного времени. После медленного размораживания их качество заметно ниже, чем у свежих продуктов. С помощью СВЧ нагрева разморозить фрукты и овощи можно за 1-3 мин. Это дает не только экономию времени, но и настолько увеличивает качество размороженных овощей и фруктов, что они почти не отличаются от свежих.

Широкое распространение в торговле получили автоматы для продажи скоропортящихся продуктов. При использовании СВЧ техники для создания автоматов по продаже горячих продуктов эти автоматы должна быть дополнены двумя устройствами: холодильником для хранения продуктов и СВЧ печью, куда после опускания монеты или жетона должны подаваться порции продуктов и где за 1-3 мин производится не только их оттаивание, но и нагрев до необходимой температуры. Далее – обычная выдача порции потребителю.

В последнее время, особенно в новых жилых домах вместо газа для приготовления пищи используется электричество. При этом снижается загрязнение воздуха, полностью устраняется опасность взрывов, но электрические плиты сравнительно медленно разогреваются и довольно долго остывают после выключения.

Следующий шаг по применению электричества в быту – широкое внедрение СВЧ печей. В последние годы ведущие фирмы США и Японии наладили массовый (с 1975 г. свыше 1 млн. шт. в год) выпуск бытовых плит, предназначенных для квартир и коттеджей. Они представляют собой комбинацию обычной трех-четырехкомфорочной электроплиты с СВЧ печью. СВЧ печь может быть расположена как духовка под электроплитой или же над ней в виде шкафчика.

При широком использовании СВЧ печей в быту получает быстрое развитие и индустрия приготовления замороженных порционных блюд, специально предназначенных для быстрого оттаивания и разогрева в СВЧ печах.

Понимание принципов микроволнового нагрева позволяет развенчать сразу несколько мифов о микроволнах. Например, что эти волны греют продукты "изнутри". Такое может случиться разве что только в том случае, когда продукты имеют сухую корочку, в которой микроволны не смогут найти молекул воды. Лишены оснований и страхи относительно возможных изменений, которые микроволны могут сотворить с молекулами пищевых продуктов. В отличие от, скажем, рентгеновских волн, СВЧ-излучение не является ионизирующим и не разрушает ни клетки биологических тканей, ни структуру органических молекул.

Родоначальником бытовых СВЧ-печей стал небольшой прибор для разогрева бортового питания на самолетах. Спустя семь лет лицензию на технологию его производства купила фирма Tappan Stove, известный американский производитель кухонных плит, а еще через три года она выпустила на рынок первый образец бытовой микроволновки. И все же окончательное слово было сказано не ими, а японцами. В середине 1960-х в Стране Восходящего Солнца научились выпускать более дешевые магнетроны. Здоровая конкуренция подгоняла выпуск все более доступных массовому потребителю изделий.

С появлением этого массового продукта началась новая эпоха, с новыми рецептами блюд и способами их приготовления, со своими мифами и апокрифами, вроде истории о кошке, высушенной в микроволновой печи… Похоже, что и вправду только открытие огня было сравнимо по своим последствиям с появлением на кухнях невидимых микроволн.

Современные микроволновые печи отличаются от своих предшественниц не только более элегантным внешним видом, но и тем, что в них работают не только микроволны. Для получения поджаристой корочки под "потолком" печей установлен дополнительный нагревательный элемент – гриль. В последние годы это, как правило, малоинерционный и компактный кварцевый гриль, представляющий собой туго свитую нихромовую проволоку, помещенную в трубку из кварцевого стекла.