ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

       электронный учебно-методический комплекс

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

Микроволновая СВЧ-печь

Цель работы

Программа работы

Общие теоретические сведения

Методика работы

Содержание отчёта

Контрольные вопросы

Приложение 6

Цель работы

Ознакомиться с одним из способов предпосевной обработки семян с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ)

Программа работы

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями.
2. Изучить методику и выполнить работу.
3. Исследовать зависимость температуры от напряжённости поля, влажности семян и времени нагрева.
4. Составить и защитить отчёт.

Общие теоретические сведения

Инфекционные заболевания растений - одна из важнейших причин ухудшения посевных качеств семенного материала. Чтобы предотвратить попадание на овощные культуры вместе с семенами болезней и вредителей, проводят термическую обработку семян и обеззараживание ядохимикатами. Термическую обработку семян можно производить при помощи различных источников. Применение токов высокой частоты и сверхвысокой частоты для этой цели позволяет сократить время нагрева семенного материала, сократить весь технологический процесс и сделать производство поточным.

Сущность и эффективность этого способа заключается в создании защитной среды на поверхности семян, препятствующей вторичному попаданию и развитию грибных инфекций, а также в повышении посевных качеств семян.

Семена предварительно замачиваются водой. При смачивании семян споры грибов, обладая большой сосущей способностью, в 10 раз быстрее всасывают влагу, чем семена. Сухие споры набухают, имея при этом 80…90% влажности. Семена за этот промежуток времени не успевают поглотить влагу и остаются сухими. При обработке семян в поле СВЧ вся энергия электромагнитного поля будет поглощаться спорами и поверхностными плёнками воды, вызывая интенсивность нагрева последних. В результате высокой локальной температуры поверхности плёнки воды и высокого давления за счёт внутреннего испарения влаги в спорах, происходит уничтожение вирусов бактерий, температура семян при этом не повышается.

Обработка семян производится в бытовой установке “Электроника”, “Титан” или др.

Технические данные СВЧ-печи "Электроника":

• мощность в рабочей камере 0,5 кВт;
• максимальное время непрерывной работы 25 мин;
• мощность потребления от сети 1,32 кВт;
• частота 300 МГц.

Внешний вид установки изображен на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Печь "Электроника": 1 -дверь рабочей камеры; 2-ручка; 3-кнопка "нагрев"; 4-кнопка "свет"; 5-реле времени; 6-сетевая вилка; 7-поддон.

Печь имеет выполненную из нержавеющей стали камеру, внутри которой с помощью магнетронного генератора возбуждается поле сверхвысокой частоты. При открывании двери печь автоматически отключается.

Бытовая микроволновая печь - это “побочный полезный продукт” развития радиолокационной техники. Её действие основано на бесконтактном нагреве пищевых продуктов путём преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ в тепло.

Принципиальное отличие процесса нагревания продукта в микроволновой печи от традиционных способов (скажем, на газовой плите либо электрической плитке) заключается в том, что при микроволновом нагреве тепло выделяется в объёме продукта, а при традиционных способах оно подводится к его поверхности и дальнейшее его распространение в продукт осуществляется путём теплопроводности. Соответственно достигаемый темп объёмного нагрева продукта микроволнами оказывается значительно выше.

Основным элементом печи является генератор СВЧ энергии, в качестве которого, как правило, используют широко применяемый в радиолокации прибор - магнетрон. Упрощенная схема питания магнетрона приведена на рис.9.2. Основным, наиболее ответственным и дорогостоящим элементом источника питания является специальный анодно-накальный трансформатор-стабилизатор TV1. Номинальное эффективное напряжение на его высоковольтной обмотке III составляет обычно 2100…2300 В, номинальное напряжение накальной обмотки II - 3…3,2 В.

Рис. 9.2. Схема источника питания магнетрона.

Особенностью трансформатора является значительная индуктивность рассеяния (4…6 Гн) высоковольтной обмотки и специальная конструкция магнитопровода с магнитными шунтами, обеспечивающая при колебаниях сетевого напряжения на 10% изменение высокого напряжения всего лишь на 1…2%. Чтобы обеспечить бесшумность работы трансформатора, отдельные элементы магнитопровода свариваются.

Накопительный высоковольтный конденсатор С1 ёмкостью от 0,8 до 1,2 мкФ (в зависимости от мощности печи) рассчитан на работу при напряжении до 10 кВ. Выпрямительный высоковольтный столб VD1 работает при напряжении около 5 кВ, но к нему предъявлены особые требования, поскольку магнетрон VL1 может давать искрения, приводящие к перенапряжениям.

Главное из них - возникновение лавинного пробоя при обратном напряжении свыше 8 кВ, иначе при жесткой характеристике столба перенапряжения на деталях могут достигнуть 15 и даже 20 кВ.

В качестве линии связи для передачи СВЧ мощности от магнетрона к излучателю, питающему рабочую камеру печи, обычно используют прямоугольный волновод. Конструкцию волновода и излучателя выбирают так, чтобы обеспечить нормальное согласование нагруженной рабочей камеры с магнетроном. Кроме того, для обеспечения равномерности нагрева, излучатель должен возбуждать в камере достаточно большое число типов волн.

Рабочая камера печи представляет собой полый резонатор приблизительно прямоугольной формы с размерами сторон, значительно превышающими длину волны генератора. Возбуждаемые в камере электромагнитные волны не поглощаются сразу в нагреваемом продукте, а многократно отражаются её стенками. В результате в камере образуются многочисленные стоячие волны электромагнитного поля с узлами и пучностями электрической и магнитной компонент. Интенсивность полей в камере нарастает до тех пор, пока мощность СВЧ-колебаний, поглощаемая в продукте, не сравняется с мощностью, поступающей от генератора.

Локальный нагрев продукта пропорционален квадрату эффективного значения напряженности электрического поля в данной точке. Поскольку наличие стоячих волн в камере неизбежно, камера оптимальной конструкции должна иметь такие размеры и способ возбуждения, чтобы наложение всех стоячих волн обеспечивало максимальную равномерность нагрева продукта.

Но, к сожалению, на практике обеспечить идеальную равномерность нагрева невозможно - ведь обрабатываемые продукты и посуда имеют значительные вариации диэлектрических свойств и формы. Поэтому для повышения равномерности нагрева продукта в рабочей камере печи обычно применяют, в том или ином виде, механическое движение (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Схема рабочей камеры печи с вращающейся подставкой (а); с двумя излучателями (б); с вращающейся антенной (в); с вращающейся крыльчаткой (г); 1 - электродвигатель с редуктором; 2 - сепаратор с роликами; 3 - вращающийся диэлектрический поддон; 4 - ёмкость с продуктами; 5 - устройство ввода СВЧ-энергии в рабочую камеру (излучатель); 6 - магнетрон; 7 - диэлектрический поддон; 8 - диэлектрический вал привода антенны; 9 - штыревая антенна; 10 - крыльчатка.

Для качественного нагрева могут использоваться: вращающаяся подставка (рис. 9.3, а), на которой находится нагреваемый продукт; вращающаяся антенна (рис.9.3, в), ось вращения которой совпадает с осью симметрии рабочей камеры, а диаграмма направленности излучения имеет специальную несимметричную форму, вращающаяся крыльчатка с металлическими лопастями (рис. 9.3, г), расположенными вблизи излучателя, либо сочетание вращающейся подставки с питанием рабочей камеры двумя излучателями (рис. 9.3, б) от разветвленного волновода.

Дверь рабочей камеры представляет собой довольно сложный конструктивно и очень ответственный узел, так как именно она предотвращает утечку во внешнее пространство СВЧ-энергии. Один из вариантов двери (микроволновой печи “Плутон” СП-18) в разрезе показан на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Фрагмент двери рабочей камеры: 1 - стенка рабочей камеры; 2 - кожух; 3 - металлический корпус двери; 4 - дроссельная полость; 5 - дополнительный поглотитель энергии СВЧ; 6 - полимерная плёенка; 7 - перфорация; 8 - сварка.

По периметру дверь имеет высокочастотный дроссельный затвор. Для того, чтобы он снижал уровень утечки СВЧ-энергии до допустимого значения уровня (меньше 10 мкВт/см² на расстоянии 50 см от печи), необходимо обеспечить хорошее прилегание плоскости двери к лицевой поверхности рабочей камеры. Практически зазор не должен превышать 0,5 мм - тогда плотность потока энергии во внешнее пространство будет на уровне 1…2 мкВт/см².Для обеспечения такого зазора в процессе производства предъявляются очень жёсткие требования к плоскостности лицевой поверхности рабочей камеры и отвесной поверхности двери.

Для того чтобы в ещё большей степени обеспечить безопасность использования печи, открытая щель дроссельного затвора заполняется специальной пластмассой, поглощающей энергию микроволн.

Блок управления печи обеспечивает работу её по задаваемой программе, а также выключение печи при нарушении блокировок, превышении температуры на магнетроне, трансформаторе и в рабочей камере. Блоки управления имеют разнообразные схемы и конструкции при двух основных разновидностях: электромеханической или микропроцессорной.

Электромеханический блок управления содержит реле времени, задающее общую длительность приготовления пищи и реле управления режимом печи, задающее средний уровень мощности СВЧ-энергии в рабочей камере. Как правило, управление уровнем мощности осуществляется изменением соотношения длительностей пауз и периодов генерации магнетрона. При отсутствии пауз печь работает на полную мощность, при равенстве длительностей пауз и периодов генерации - с 50%-ой мощностью и т.д. Автоматика управления работой магнетрона включается в цепь первичной обмотки трансформатора.

Микропроцессорный блок управления, кроме возможностей, обеспечиваемых электромеханическим блоком, позволяет задавать сложные переменные во времени программы размораживания разных продуктов (мясо, рыба, птица, овощи), задавать многоступенчатые программы, включать печь автоматически в заданное время суток и т.п.

Для первоначального накопления опыта приготовления пищи в микроволновой печи можно пользоваться многочисленными имеющимися в продаже и прикладываемыми к печи рецептурными справочниками. Однако уже через непродолжительное время пользователь приобретает необходимый навык, позволяющий готовить различные блюда самостоятельно, руководствуясь собственным вкусом.

Следует отметить одну особенность всех микроволновых печей - они “не терпят” посуды с золотым (металлическим) ободком. В результате того, что в ободке индуцируется высокочастотный ток значительной силы, возникает искрение, которое может перейти в дуговой разряд, и произойдет пожар.

Методика работы

Ознакомиться с электрической принципиальной схемой СВЧ-печи (рис. 9.5).

Перед включением печи нужно завести реле времени по часовой стрелке до отказа, а затем вращением рукоятки в обратном направлении установить требуемое время. Включать печь нажатием кнопки “Нагрев”. Печь включается только при плотно закрытой двери. Для подсветки рабочей камеры необходимо нажать кнопку “Свет”. Исследование провести в два этапа.

Первый этап: исследование влияния на температуру нагрева напряжённости и времени нагрева. Изменяя напряженность поля, измерить температуру в течение 10, 20, 30 с. Данные опыта занести в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Второй этап: исследование зависимости температуры нагрева семян от влажности семян и времени нагрева. Данные опыта занести в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Содержание отчёта

1. Технические данные печи “Электроника”.
2. Таблицы опытных и расчётных данных.
3. Графики зависимости температуры нагрева от напряжённости поля, влажности семян, времени обработки.
4. Анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Назовите способы предпосевной обработки семян.
2. В чем заключается эффективность предпосевной обработки семян?
3. Физическая сущность термической обработки в целях обеззараживания семян.
4. Особенности диэлектрического нагрева.
5. Объясните работу электрической принципиальной схемы СВЧ-печи (рис.9.5).
6. В чем отличие процесса нагрева продукта в микроволновой печи от традиционных способов нагрева?
7. В чём заключается эффективность обработки семян в микроволновой печи?
8. Какой из элементов печи отвечает за автоматическое включение в заданное время суток?
9. Почему в микроволновых печах нельзя использовать посуду с золотым ободком?
10. На чём основано действие микроволновых печей?

Приложение 9

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006