V. Заключение Недостаток микроволновой печи

Строение и принцип действия
микроволновой печи


Виконано:
студентами групи
103ФАТТ*
Перевірено:
Сліпухіною
Іриною
Андріївною
I. Вступление
Предисловие
Гори-гори ясно, чтобы не погасло...
(«Двенадцать месяцев», С. Маршак)
Кто в своей жизни не произнёс хотя бы раз этих «волшебных»
слов, наверное, тот, кто ни разу не грелся у огня, кто на печке или у
газовой плиты никогда не готовил или не подогревал пищи, но таких
среди нас мы не видим. Но думаем, что с приходом в наш быт
«несколько иных печек» всё поменяется…
С тех пор, когда человек начал использовать огонь для
приготовления пищи, мало что в этом процессе испытало
существенных изменений. Даже теперь, когда вы готовите на
раскаленном угле, в каменной печи или на современной газовой или
электрической плите, происходит, в сущности, один и тот же простой
процесс: нагревается плита, от нее - кастрюля или сковорода, а уже
потом - пища. Долго, неэкономно, непрактично. Но сегодня существует
принципиально другой процесс приготовления пищи с помощью
сверхвысокочастотных волн – СВЧ, которые подогревают нам пищу в
наших «микроволновках». Вот именно строение и принцип действия
микроволновой печи мы изучили и подробно изложили в нашем
реферате.
История СВЧ печей
Это изобретение, как и многие другие, было рождено
вследствие военных разработок. Отцом печей, которые
используют сверхвысокочастотные волны, или, как еще
иначе их называют, микроволны, можно считать
американского инженера Перси Спенсера, который
работал на компанию Raytheon (Рейтеон). Испытывая
трубу магнетрона, основного элемента коротковолновых
радиолокационных станций (РЛС), Спенсер заметил, что
шоколадная плитка в его кармане растаивает.
Исследователь сначала провел эксперимент с зернами
кукурузы, которые поместил на трубу, а потом
попробовал приготовить яичницу. В декабре 1945 года,
после того, как эксперимент удался, Спенсер
запатентовал микроволновую печь.
Первая в мире СВЧ-печь Radarange была выпущена
уже в 1947 году. Серийное производство микроволновых
печей началось в США в 1949 году. Правда, эти печи
были предназначенные не для приготовления пищи, а
для быстрого размораживания продуктов и
использовались исключительно военными. И лишь на 60х начала продукт американского военно-промышленного
комплекса стал использоваться обычными
домохозяйками.
Как работает микроволновая
печь?
Принцип приготавливания пищи с помощью микроволн
коренным образом отличается от обычных способов нагревания
на плите, в духовке или на гриле. Микроволновая печь работает
просто. Вакуумная трубка (которая и есть тот таинственный
магнетрон, который уже упоминался) выпускает
электромагнитные волны. Эти волны проникают вглубь продуктов
и вызывают колебание молекул воды, которые там содержатся,
вызывая повышение температуры вследствие трения и
столкновения молекул.
То же самое происходит и при традиционном нагреве, с той
разностью, которая от огня возбуждения молекул медленно
передается от внешних пластов продукта к внутренним, а
микроволновая энергия вмиг проникает на глубину от 2,5 до 5см
(поэтому более толстые шматы при приготавливании в СВЧ печи
лучше разрезать). Но, не считаясь с этим фактом, со времени
выпуска первых образцов СВЧ-печей спорят о том, отличаются
кушанья, приготовленные в микроволновой печи от
приготовленных на плите или нет.
II. Строение микроволновой
печи
СВЧ установка и её рабочая камера
При любом назначении СВЧ электротермической установки, она
имеет структурную схему, приведенную на рисунке,
изображённом на доске.
Основным генератором СВЧ энергии является магнетрон. Из
приборов других типов наиболее перспективны клистроны и
СВЧ триоды. Генерируемая мощность поступает по волноводу
(линия связи) в рабочую зону СВЧ печи, представляющую собой
прямоугольную камеру (рабочая камера). Рядом с волноводным
выходом расположен диссектор, вращающийся от воздушной
струи вентилятора. Диссектор необходим для того, чтобы
получать равномерное распределение СВЧ поля по объему
камеры и, следовательно, обеспечить равномерный нагрев
продукта. В новых конструкциях СВЧ печей используют не
диссектор, а вращающийся столик, на который помещают
обрабатываемый продукт. Система управления (блок управления
и ввода информации) управляет всем технологическим
процессом обработки.
1.Магнетрон
Магнетрон это электровакуумный прибор, предназначенный для генерирования колебаний сверхвысокой
частоты. При работе магнетрона выделяется мощность, которая переходит в тепло, т.е. внутри рабочей
камеры создается «тепловое СВЧ электромагнитное поле».
Строение магнетрона:
Колебательная система – анодный блок содержит резонаторы, форма и размеры которых выбираются в
зависимости от рабочей длины волны. Внутренняя цилиндрическая полость называется пространством
взаимодействия. В центре этой полости располагается цилиндрический катод, подогреваемый обычной
нитью накала. К магнетрону извне прилагается сильное постоянное однородное магнитное поле,
направленное вдоль оси цилиндрической полости. В пространстве взаимодействия переменным
электрическим и постоянным внешним магнитным полем происходит управление электронными
потоками. Электроны, вылетевшие с поверхности катода, под воздействием скрещенных электрических и
магнитных полей движутся между электродами по циклоидальным траекториям. При своем движении
они пролетают мимо щелей резонаторов и возбуждают в них электромагнитные колебания. Внутри
одного из резонаторов располагается петля связи для вывода СВЧ энергии из магнетрона в рабочую
зону печи. Петля связи одним концом припаяна к стенке резонатора, а другим присоединена к короткой
коаксиальной
линии, которая возбуждает прямоугольный волновод. По волноводу СВЧ мощность
поступает в рабочую камеру печи.
На рисунке изображен внешний вид магнетрона:
1. Металлический колпачок насажан на керамический изолятор 2.
3. Внешний кожух магнетрона 4. Фланец с отверстиями для крепления. 5 Кольцевые магниты служат для
распределения магнитного поля. 6. Керамический цилиндр для изоляции антенны. 7. Радиатор служит
для лучшего охлаждения. 8. Коробочка фильтра. 9. Узел соединения магнетрона с источником питания
содержит переходные конденсаторы которые вместе в дросселями образуют СВЧ фильтр для защиты от
проникновения СВЧ излучения из магнетрона. 10. Выводы питания.
Магнетрон это вакуумный диод, анод которого выполнен в виде медного цилиндра. Рабочее напряжение
анода магнетрона колеблется от 3800 до 4000 вольт. Мощность от 500 до 850 Ватт. Напряжение накала
от 3,15 до 6,3 вольта. Магнетрон крепится непосредственно на волноводе.
1.Магнетрон
Блок питания магнетрона обеспечивает выработку питающих напряжений: Анодное напряжение Uа = 4000 вольт
A = 300 мА. Напряжение накала U = 3,15 В, I = 10 А.
Напряжение ~220 вольт через специальную схему управления подается на первичную обмотку силового
трансформатора. Далее с помощью силового трансформатора (который выполняет также роль
стабилизатора) напряжение подается на схему удвоения напряжения собранную на VD1, C1. Сопротивление
R1 имеет наминал от 1 до 10 Мом и нужно для того чтобы обеспечивать разряд конденсатора С1 при
выключенной печи. В импортных конденсаторах резистор монтируется внутри. Предохранительный диод VD2
(фьюз диод) служит для защиты трансформатора от перегрева в случае замыкания в магнетроне или
чрезмерном повышении напряжения на конденсаторе С1. При замыкании резко повышается ток во
вторичных обмотках что ведёт к увеличению тока в первичных обмотках и перегорает предохранитель.
Данным диодом можно пренебречь т.е. не устанавливать его, но в этом случае необходимо устанавливать
предохранитель строго по наминалу. Если замерить напряжение на катоде магнетрона оно будет ровно -4000
вольт (отрицательное), значит на аноде относительно катода напряжение будет ровно +4000 вольт.
2.Высоковольтный диод
Представляет собой
большое количество
соединенных
последовательно диодов в
одном корпусе. Проверить
тестером невозможно. Но
есть один метод
позволяющий с
определенной точностью
проверить диод. Если
подключить его согласно
данной схемы. Измерение
проводится в двух
направлениях, для чего
диод необходимо
перевернуть.
3. Блок управления и ввода
информации
БУВИ предназначен для задания времени,
режимов работы и управления работой
СВЧ печи по заданным программам.
Структурная схема БУВИ состоит из:
 Вентилятор
 Блокировка
 Микропроцессорное устройство
управления
 Звуковая сигнализация
 Устройство коммутации (клавиатура)
4.Резонаторные камеры
Конструкция резонаторных камер
должна быть такой, чтобы
внутри них нагрев был
одинаков в любой части
внутреннего объема, занятого
обрабатываемым
диэлектриком. Одним из
наиболее удобных
диапазонов для нагрева
диэлектриков является
диапазон волн вблизи 12,6 см
(2375 ±50 МГц).
На рисунке изображена рабочая
камера СВЧ-печи:
1 — рабочая камера; 2 и 3 —
прямоугольные волноводы от
СВЧ генераторов с рабочими
длинами волн.
1
a
b
2
E
l рез
E
3
Требования к СВЧ установкам
Установки и камеры должны удовлетворять определенным
требованиям. Так, они должны обеспечивать заданный
технологический режим термообработки, надежную работу
генератора, защиту людям от СВЧ излучения.
Чаще всего к камере предъявляется требование равномерного
нагрева по объему объекта с заданной скоростью нарастания
температуры (темпом нагрева).
Для надежной работы генератора коэффициент стоячей волны по
напряжению камеры не должен превышать допустимого для
данного генератора значения. В этом отношении наибольший
интерес представляют камеры с бегущей волной, так как они,
практически не влияя на работу генератора, могут быть
использованы с любым источником СВЧ энергии.
Защита людей от СВЧ излучения осуществляется разумным
конструированием системы загрузки-выгрузки. В конструкции
камеры должны быть установлены блокировочные устройства,
выключающие генератор в аварийных ситуациях.
III. Принцип работы
микроволновой печи
Получение СВЧ энергии
Чтобы применение СВЧ энергии было экономически оправдано, необходимо выбирать такие СВЧ
приборы, которые имели бы в сочетании следующие характеристики: высокий КПД
преобразования энергии промышленной частоты в СВЧ энергию (не менее 50%, а лучше 70%
— 90%), простота конструкции, надежность, большой срок службы (не менее 5— 10 тысяч
часов); возможность эффективной работы при переменной нагрузке.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют магнетроны.
Относительная простота конструкции малые размеры и высокий КПД делают магнетроны
наиболее пригодными для использования во многих областях СВЧ энергетики. Опыт
применения магнетронов и исследования их свойств привели к тому, что в настоящее время
они почти исключительно применяются в промышленных СВЧ установках. Однако в
перспективе им могут составить серьезную конкуренцию пролетные многорезонаторные
клистроны.
Создание магнитного поля магнетрона с помощью электромагнита, включенного последовательно
в анодную цепь прибора, позволяет упростить схему питания, понизить стоимость установки,
повысить устойчивость работы магнетрона при колебаниях напряжения в сети и изменениях
параметров высокочастотной нагрузки (ее модуля и фазы). Кроме того, применение
последовательного электромагнита открывает возможность простой регулировки выходной
мощности в довольно широких пределах.
Упрощение схемы питания достигается рациональным выбором параметров электромагнита, в
результате чего магнетрон может работать при непосредственном включении в
последовательно соединенных анодной цепи магнетрона и обмотки электромагнита в цепь
вторичной обмотки силового трансформатора по схеме двухполупериодного выпрямления.
СВЧ нагрев
При традиционных способах нагрева и сушки (конвективном, радиационным и контактном) нагрев
объекта происходит по поверхности. Если теплопроводность объекта низка, что имеет место у
диэлектриков, то термообработка объекта происходит медленно, с локальным перегревом
поверхности нагрева, отчего возможно подгорание этой поверхности, возникновение внутренних
механических напряжений. Все это в конечном счете может привести к потере объектом полезных
свойств.
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. Полное описание эффекта может быть получено лишь с
помощью квантовой теории. Ограничимся учетом макроскопических свойств материальной
среды, описываемых классической физикой.
В зависимости от расположения в них зарядов молекулы диэлктрической среды могут быть
полярными и неполярными. В некоторых молекулах расположение зарядов столь симметрично,
что в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен
нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в
отсутствии внешнего поля. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы
поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает
некоторый электрический момент.
Под действием внешнего поля у полярных молекул не только меняется величина электрического
момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля. Обычно различают
электронную, ионную, дипольную и структурную поляризации диэлектрика. На СВЧ наибольший
удельный вес имеют дипольная и структурная поляризации, так что выделение тепла возможно
даже в отсутствии тока проводимости.
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. В таблице приведены
сведения о глубине проникновения электромагнитной волны в некоторые из диэлектриков с
потерями.
Глубина проникновения электромагнитной волны
В диэлектрике с потерями при 20-25оС
Диэлектри Глубина проникновения, см
ки
433 Мгц
915 Мгц
2375 Мгц
вода
70.5
23.4
3.5
стекло
4600
2180
840
мясо
5.1-10.7
2.8-6.2
1.6-3.1
овощи
8.1-9.1
5.0-6.3
2.6-3.0
рыба
5.0-6.2
3.4-3.8
1.2-2.0
Защита от СВЧ излучений
В нашей стране установлена безопасная норма СВЧ излучения, т.е. так называемая санитарная норма
— 10 мкВт/см. Она означает, что в месте нахождения людей мощность потока СВЧ энергии не
должна превышать 10 мкВт на каждый квадратный сантиметр поверхности. Эта норма взята с
многократным запасом. Так, например, в США в 60-е годы была норма в 1000 раз большая — 10
мВт/см.
Следует отметить, что по мере удаления от мест излучения СВЧ мощности — от резонаторных камер
или волноведущих систем, где производится обработка с помощью СВЧ энергии, — поток
излученной энергии быстро ослабевает (обратно пропорционально квадрату расстояния). Поэтому
можно установить безопасную границу, где уровень излучения ниже нормы.
В бытовых СВЧ печах для предотвращения излучения через загрузочные люки, дверцы и крышки
наиболее распространены контактные устройства в виде множества пружинок из листового
материала, например бериллиевой бронзы БрБ2. Такие пружинки создают контакт для СВЧ токов
по всему периметру загрузочного люка. Подобная система была применена в отечественной СВЧ
печи, в ряде японских печей.
В настоящее время существует несколько видов как твердых, тик и мягких (типа резины) поглощающих
материалов, которые уже при толщине в несколько миллиметров обеспечивают практически
полное поглощение просачивающейся СВЧ энергии.
Поглощающий материал закладывается в щели между теми металлическими деталями резонаторных
камер или волноведущих структур, которые не могут быть соединены сваркой или пайкой.
Предотвращение излучения через отверстие для наблюдения или подачи воздуха осуществляется
применением металлических трубок достаточно малого внутреннего диаметра и необходимой
длины. Такие трубки являются запредельными волноводами и практически не пропускают СВЧ
энергию.
IV. Применение СВЧ-нагрева
Торговые автоматы. Широкое распространение в торговле получили автоматы для продажи, например,
газированной воды и газет, находят применение на почтах и в гостиницах автоматы по продаже конвертов и
открыток и т.д.
Одной из главных целей применения автоматики в торговле является возможность покупки товаров в
любое время суток. Для непортящихся товаров, таких, как газированная вода, сигареты, газеты и пр., эта
задача технически решена. Иное дело — автоматы для продажи скоропортящихся продуктов и тем более
таких, которые желательно принимать в пищу в горячем виде. С применением СВЧ появилась возможность
для проектирования и изготовления подобных автоматов. Потребности в таких автоматах, безусловно,
есть: например, на вокзале можно было бы в любое время через несколько минут получить стакан
горячего молока, кусок горячей отварной или жареной курицы.
Принцип торгового автомата для продажи холодный и нескоропортящихся пищевых продуктов известен и
применяется в закусочных-автоматах: после опускания жетона или монеты заранее приготовленная порция
продукта подается потребителю. При использовании СВЧ техники для создания автоматов по продаже
горячих продуктов эта обычная схема должна быть дополнена 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. Холодильник и СВЧ печь — это уже хорошо
отработанные элементы, так что теперь дело за конструкторами и технологами подобных автоматов.
Значительно более простыми могут быть торговые автоматы, которые выдают замороженные порции
продуктов, а покупатель перед употреблением в пищу сам разогревает их в СВЧ печах, установленных в
том же зале закусочной-автомата.
В описанных применениях СВЧ печей реализуются преимущества централизованного приготовления
продуктов питания, при котором более эффективно используется квалифицированный персонал, широко
применяются механизация и автоматизация трудоемких процессов.
IV. Применение СВЧ-нагрева
Питание в больницах. Пищеблоки крупных больниц обычно расположены в
отдельных помещениях, и пока оттуда питание доставляется к постели
больного, пища становится если не холодной, то чуть теплой. СВЧ печи
позволяют преодолеть этот недостаток. Быстрый разогрев блюд можно
вести вблизи каждой палаты. Особенно это важно в инфекционных
отделениях больниц, где каждую порцию можно разогревать на бумажных
тарелочках однократного использования.
Весьма перспективной представляется организация питания, при которой
в больницах пища не готовится, а поступает со специализированных
предприятий на склад больницы в виде замороженных или охлажденных
порций, откуда персонал, обслуживающий больных питанием, их получает
и разогревает в СВЧ печах непосредственно перед подачей больному.
Подсчитано, что при такой организации экономится 18% средств на
питание. А это означает, что на 18% можно увеличить расходы на
продукты при одних и тех же ассигнованиях на питание.
IV. Применение СВЧ-нагрева
СВЧ-печи в быту. 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. Так что в недалеком
будущем хозяйки будут покупать порционные замороженные
блюда, хранить их в морозильных камерах своих
холодильниках и подавать к столу в размороженном и
разогретом в СВЧ печах виде через считанные минуты после
извлечения из холодильника.
V. Заключение
Преимущества использования микроволновых печей
Хотя микроволновые печи, которые раньше почти не выпускались советской промышленностью, уже давно активно
употребляются в нашем быту, существует много как обоснованных аргументов, так и обычных фантазий
относительно их использования. Одни недоверяют самому способу приготовления я пищи с помощью
сверхвысоких частот. Другие считают, что микроволновая печь не сохраняет в пище полезные вещества. А коекто просто боится пользоваться этим прибором, учитывая его вред для здоровья. Иногда нежелание
пользоваться СВЧ-печью вызвано неумением ее правильно использовать. Мы попробуем развеять некоторые
мифы и слухи о СВЧ-печи и предоставить вам все знания, которые приобрели сами.
Преимущества использования микроволновых печей:
1) приготовление пищи с помощью микроволн происходит намного быстрее, чем на плите. Поэтому это экономит
время, а в пище сохраняется больше полезных веществ.
2) во время приготовления пищи в СВЧ- печи почти нет запаха, а посуда нагревается не так сильно, как на плите.
3) в микроволновой печи почти нет потерь электроэнергии, тогда когда електро- или газовая плита нагревают не
только пищу, но и воздух и предметы вокруг себя. Поэтому использование СВЧ печи значительно экономит
электроэнергию.
4) также следует понимать, что, используя микроволновую печь для разогрева продуктов, Вы избегаете
использования сковородок, маргарина, подсолнечного или сливочного масла, паровых куполов, и т.п.. Это не
только экономит ваши средства, но и защищает ваш организм от канцерогенов, которые образовываются во
время выгорания жиров на сковороде.
5) каждый знает, сколько времени нужно для того, чтобы разморозить рыбу или мясо. Теперь Вам не нужно
получать продукты из морозилки вечером, чтобы к утру они оттаяли - микроволновая печь сделает это за
несколько минут.
V. Заключение
Недостаток микроволновой печи
Мы были бы несовсем корректны с вами, если рассказали бы вам только о преимуществах микроволновых печей.
Поэтому мы сейчас расскажем вам об «обратной стороне медали» микроволновой печи.
Принцип работы СВЧ печей заведомо основан на генерировании вредных для здоровья электромагнитных волн.
Специальное устройство - магнетрон излучает микроволны сверхвысокой частоты 2,45 ГГц. От таких волн
способна разогреться не только пища, но и все живое в радиусе нескольких метров. А если к этому добавить
стандартное магнитное излучение, создаваемое током промышленной частоты 50 Гц с мощностью 600-900 Вт,
то микроволновую печь можно рассматривать как опасный излучатель широкого диапазона. Особенно опасно
пространство в районе правого нижнего угла дверцы, откуда микроволны способны вырваться подобно
«джинну» из бутылки. Если бы микроволновая печь использовалась несколько часов подряд, то ее можно было
бы назвать самым опасным для жизни бытовым прибором. Но и кратковременные включения небезопасны.
Магнитные поля на корпусе достигают 12 мкТл, что в 60 раз выше предельно допустимых норм. И только на
расстоянии 1,4метра они затухают, приходя к норме.
Но поверьте, что все современные микроволновые печи обеспечивают полную и надежную защиту от микроволн.
Величина истока у всех моделей известных производителей есть значительно меньшей за допустимые в Европе
или США предельные значения. Следует также понимать, что благодаря материалам, из которых сделаны
внутренние стенки камеры микроволновой печи, микроволны затухают уже на расстоянии 10-20см от печи. Если
вы имеете сомнения относительно работы своей печи, вы можете вызвать специалистов из сервисного центра,
которые специальным прибором замеряют величину излучения. Конечно, услуга эта платная.
Кроме того, все приборы, которые завозятся в Украину, получают сертификат соответствия качества, т.е. проходят
проверку местными органами, уполномоченными Госстандартом. Увидев на собственные глаза в магазине такой
сертификат, можете отвергнуть все сомнения относительно вредного излучения микроволновой печи.
V. Заключение
Выводы
Мы познакомили вас со строением и принципом работы
микроволновой печи. Рассказали об истории их
изобретения и о различных её применениях. Показали
вам преимущества и недостаток данного бытового
прибора. И думаем, что с приходом в наши дома
микроволновых печей и электрических обогревателей
цитировать Самуила Маршака мы будем только при
рассказе сказки «Двенадцать месяцев» своим детям и
внукам.
Список литературы:






http://www.technohіt.com.ua, автор: Сергей Редчиц;
http://www.torg-center.ru/adv/44580/#, Мария
(mailto:[email protected]);
http://monitor.espec.ws/move.php, автор: М.А. Лукьянов;
Ю. Н. Пчельников, В. Т. Свиридов Электроника;
сверхвысоких частот. — Москва: «Радио и связь», 1981;
В.Н. Павлов, В.Н. Ногин «Схемотехника аналоговых
электронных устройств» - Москва: «Горячая линия –
Телеком», 2001;
Ю.В. Новиков «Основы цифровой схемотехники» - Москва:
«МИР», 2001.