SEMINARSKI RAD Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna
Profesor dr Aleksandar Raković
Student Goran Ćurguz 3s/2016 Beograd, januar, 2016.
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Sadržaj
Uvod.......................................................................................................................3 1.0 PRINCIP RADA MIKROTALASNE RERNE.....................................................4 1.1 Mikrotalasi.............................................................................................4 1.2 Molekuli vode i mikrotalasi....................................................................6 2. PROSTIRANJE TOPLOTE KROZ HRANU.....................................................10 3. OSNOVNI DELOVI MIKROTALASNE RERNE...............................................14 Literatura..............................................................................................................17
_____________________________________________________________________ 2
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Uvod
Mikrotalasna rerna je svepristurnija u savremenom domaćinstvu. Mikrotalasna rerna je aparat koji prevashodno služi za odmrzavanje, podgrevanje i kuvanje namirnica, sa relativno malim utroškom energije. U pećnici se energija mikrotalasa, preko molekula vode koji su sastavni deo namirnice koja se kuva, prenosi na okolinu i tako dolazi do zagrevanja. Korisna zapremina - prostor u kome se priprema hrana - se kreće u proseku oko 20 litara, a snaga peći je oko 1000 vati (W). Ključna komponenta mikrotalasne rerne je magnetron koji emituje mikrotalase u unutrašnjosti rerne. S obzirom da je zračenje usmereno, lako dolazi do lokanog pregrevanja. To se najlakše izbegava tako što se podloga sa namirnicama okreće i tako su svi delovi namirnice jednako izloženi zračenju. Tokom rada magnetron forisirano hladi, te je oko rerne uvek potrebno ostavit dovoljno prostora za slobodnu cirkulaciju vazduha. Pošto magnetron uvek zrači istom snagom, regulacija se postiže povremenim uključivanjem i isključivanjem magnetrona. Rerna ima tajmer kojim se odabira automatsko isključivanje peći posle određenog vremena, ali najviše do 60 minuta. Okno peći na prednjim vratima prekriveno je metalnom mrežicom koja sa ostalim metalnim zidovima obrazuje Fradejev kavez. Time se, u velikoj meri, sprečva "curenje" zračenja van rerne i omogućava bezbedna upotreba rerne.
Slika 1. Mikrotalasna rerna
_____________________________________________________________________ 3
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
1. PRINCIP RADA MIKROTALASNE RERNE
1.1 Mikrotalasi
Mikrotalasi su elektromagnetski talasi koji su pogodni da prodru u hranu i zagreju je, a da joj pri tome ne promene hemijski sastav.
Slika 2. Mikrotalas iz mikrotalasne rerne je elektromagnetski talas dužine 12.2 cm. On se sastoji od međusobno uslovljenih oscilacija električnog i magnetskog polja.
Mikrotalasom se naziva elektromagnetski talas čija je talasna dužina u vazduhu od 1 mm do 30 cm. U MTR se stvaraju mikrotalasi dužine 12.2 cm. Kada bismo u prostoru gde postoji mikrotalas na neki čaroban način zaustavili vreme, mogli bismo izmeriti jačine električnog i magnetskog polja (sastavnih delova mikrotalasa) u tačkama pravca duž koga se talas kreće. Videli bismo da se na dužini od 12.2 cm jačina menja od tačke do tačke. U prvoj tački jačina, oba
_____________________________________________________________________ 4
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________ polja, jeste nula. U sledećim tačkama jačine polja rastu do maksimalne vrednosti, da bi zatim padale ponovo na nulu, počele da rastu u suprotnom smeru do maksimalne vrednosti, a onda ponovo pale na nulu. To čini jedan ciklus. Ako bismo posmatrali taj talas i pustili da vreme da teče, Videli bismo da se on pomera kroz vazduh brzinom svetlosti. U nekoj drugoj sredini, na primer iz vazduha mikrotalas ulazi u šargarepu koju kuvamo u MTR, sa mikrotalasom će se desiti neke promene. Vreme njegovog trajanja (vreme potrebno za jedan ciklus) ostaće nepromenjeno, ali će se skratiti njegova dužina (neće više biti 12.2 cm) a brzina prostiranja postaće mu manja od brzine svetlosti. Kada izađe iz šargarepe, ponovo će imati dužinu od 12.2 cm i brzinu prostiranja svetlosti. Ako u prostoru gde prolazi talas naiđe na naelektrisane čestice, one će se pokrenuti pod delovanjem polja talasa, na račun energije talasa, a talas će oslabiti za toliko izgubljene energije. Energija koju mikrotalas poseduje može da u biološkom tkivu (npr. mesu) pokrene slobodne naelektrisane čestice (elektrone i jone) i polarizovane molekule, ali ne može sam da izvrši jonizaciju, niti da razbija molekule i time menja hemijski sastav sredine kroz koju prolazi. Zbog toga mikrotalasi spadaju u nejonizujuća elektromagnetska polja. U ovom prikazu na slici 2. cilj je bio da se ukaže na to da se mikrotalasi u vazduhu kreću brzinom svetlosti (u drugim sredinama brzina je manja) i da se naelektrisane čestice i polarizovane molekule, koje su obuhvaćene njegovim poljem, pokreću. Takođe, da mikrotalasi ne mogu da izvrše jonizaciju biološkog tkiva, a to znači da ne mogu stvarati nove ili razgrađivati postojeće molekule (menjati hemijski sastav).
_____________________________________________________________________ 5
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________ 1.2 Molekuli vode i mikrotalasi
Mikrotalasi pretvaraju molekule vode iz hrane i pića u efikasna grejna tela. Molekul vode sastoji se od jednog atoma kiseonika i dva atoma vodonika.
Slika 3. Molekul vode sastavljen je od dva atoma vodonika i jednog atoma kiseonika
Za ponašanje molekula vode nije važan samo njen hemijski sastav, već i geometrija i raspodela naelektrisanja po njoj. Sa slike se vidi da ona predstavlja dipol. To znači da iako nema vanjskih polja koja deluju na molekul, on na jednom kraju ima višak elektrona, a na drugom manjak – jedan je kraj pozitivan, a drugi negativan.
_____________________________________________________________________ 6
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Slika 4. Molekul vode zbog svoje geometrije predstavlja dipol .
Ponašanje dipola u polju je bitno drugačije od ponašanje jednoliko naelektrisane čestice. Delovanje električnog polja na jednoliko naelektrisanu česticu ispoljava se kao delovanje fizičke sile koja česticu privlači ili odbija. Kod dipola, polje stvara spreg sila, tj. dve sile koje deluju (jedna na pozitvno naelektrisan deo molekula u jednom smeru, a druga na negativni u suprotnom smeru) tako da promena smera polja izaziva rotaciju dipola.
_____________________________________________________________________ 7
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Molekuli vode bez delovanja
Delovanjem vanjskog električnog
Molekuli vode prate promenu smera
vanjskog električnog polja nemaju polja molekuli vode se usmeravaju
električnog polja koje deluje na njih.
posebno usmerenje
Slika 5. Molekul vode kroz koji prolazi mikrotalas
Na slici je prikazana jedan molekul vode kroz koji prolazi mikrotalas. Smer električnog polja , dok mikrotalas prolazi kroz molekul, se menja i izaziva rotaciju molekula. Rotaciji se suprotstavlja supstanca koja okružuje molekul i zbog toga molekul kasni u promeni smera u odnosu na električno polje. Površina trougla koji prikazuje kašnjenje srazmerna je temperaturi koja se stvara trenjem molekula tokom rotacije. Molekuli vode međusobno se povezuju zbog privlačenja suprotnih naelektrisanja. U molekulu, kraj sa atomom kiseonika je negativan i on privlači pozitivno naelektrisan kraj drugog molekula vode, gde su atomi vodonika. Ovakva veza se naziva vodoničnom vezom. Pri sobnoj temperaturi, potrebno je malo energije mikrotalasa da razbije takvu vezu i zarotira molekule. Ako se poveća temperatura vode – odvajanje i izazivanje rotacije molekula vode zahteva znatno manje energije (i izaziva manje slabljenje mikrotalasa koji prolazi kroz _____________________________________________________________________ 8
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________ nju). Ne može svako promenljivo elektromagnetsko polje zagrejati molekul vode. Tako, polje talasne dužine manje od 0.3 mm (frekvencije veće od 1000 GHz ) menja se i suviše brzo da bi molekuli vode mogli da je slede. Takođe, polje talasne dužine veće od 30 cm (frekvencije veće od 1GHz) u toj meri sporo rotira molekule da ne dolazi do zagrevanja. Za zagrevanje molekula vode nije dovoljna njihova rotacija. To se vidi kada se vodena para izloži delovanju mikrotalasa. Molekule rotiraju, ali se na izaziva povišenje temperature. Neophodno je da prilikom rotacija ili oscilacija postoji trenje, odnosno da se rotacija odvija u sredini koja se suprotstavlja kretanju, a to su tečnosti i čvrsta tkiva.
2. PROSTIRANJE TOPLOTE KROZ HRANU
_____________________________________________________________________ 9
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Prostiranje toplote kroz hranu mikrotalasima, bitno se razlikuje u odnosu na klasične peći i ima broje prednosti. Kada je hrana izložena mikrotalasima, oni prodiru u prvi sloj i u tom sloju zarotiraju molekule vode. Dubina prodiranja zavisi od hemijskog sastava i temperature hrane i dužine talasa.
Slika 6. Mikrotalas "1" ulazi u hranu i nailazi na molekul koji je dipol, fizičkim silama deluje na dipol-izazivajući njegovu rotaciju; Mikrotalas "2" nije naišao na molekul koji je dipol,i prolazi kroz hranu, izlazi iz nje i nakon više refleksije ponovo ulazi u hranu
Dubina prodiranja mikrotalasa iz MTR u mesu je oko 2 cm. Mikrotalas prodire kroz supstancu nezagrevajući je dok ne dođe do molekula vode kog zarotira u sredini koja se suprotstavlja rotaciji - zbog čega se molekulu podigne temperatura. Od vrućih molekula temperatura se prostire u svim pravcima zagrejavajući česticu po česticu - kondukcijsko prostiranje temperature.
_____________________________________________________________________ 10
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Slika 7. Molekulu vode, zbog rotacije u sredini koja se tome suprotstavlja, raste temperatura i ona postaje grejno telo. Stvorena toplota se prostire od tačke do tačke (kondukcijom) na sve strane od molekula.
Slika 8. Mikrotalasi su uspeli da zagreju sve molekule vode po celoj dubini kriške mesa. U delu gde ima više molekula tamo je i temperatura viša. U delovima siromašnim vodom - temperatura je niža. Zbor sporijeg kondukcijskog prostiranja toplote postoje delovi koji u trenutku posmatranja još nisu bili zagrejani
Brzina stvaranja vrućih molekula (grejnih tela), po dubini, je znatno veća od brzine kondukcijskog zagrevanja. Da bi cela supstanca bila zagrejana na istu ili sličnu temperaturu, treba uskladiti ova dva procesa: prvi, podizanje temperature zbog stvaranja vrućih molekula, i drugi, kondukcijsko prostiranje _____________________________________________________________________ 11
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________ temperature. Zato se hrana zagreva mikrotalasima koji se šalju u paketima impulsa. Izloži se delovanju mikrotalasa jedno kraće vreme (jednom paketu), a onda se pusti da se kondukciskim zagrevanjem izjednači temperatura u obuhvaćenom sloju. Sledeći paket mikrotalasa, s obzirom da prolazi kroz zagrejani deo (aktivirajući ponovo grejna tela), prodire dublje i stvara nove vruće tačke u sledećem sloju. Pauzom, do emisije sledećeg paketa mikrotalasa, omogućava se izjednačavanje temperature u novom sloju i tako redom. Snaga zagrevanja reguliše se odnosom trajanja paketa impulsa i pauze (kada je generator mikrotalasa isključen). Kod odmrzavanja hrane potrebno je da pauze između paketa impulsa mikrotalasa budu duže. To znači da ćemo energiju zagrevanja raspodeliti na duži vremenski period. Korisnik to čini biranjem manje snage za rad MTP, čime omogućava dovoljno vremena da se kondukcijskim zagrevanjem temperatura izjednači u obuhvaćenom sloju. Kada biste odabrali veću snagu, na primer sa ciljem da se ubrza proces odleđivanja, kraćim pauzama doveli biste do pregrevanja jednih delova, a nedovoljnog zagrevanja drugih delova hrane. Zagrevanjem mesa izaziva se proces u kojem se njegova mišićna vlakna izdužuju; povećanjem temperature mišićna vlakna se ispravljaju i šire, a daljim povećanjem temperature proteinski lanci se kidaju i dolazi do rekombinacije molekula ili koagulacije. U MTP hrana ne može biti zagrejana na temperaturu od 100°C, jer je to maksimalna temperatura koju mogu imati molekuli vode kao grejna tela. Upravo je to razlog da se u zagrejanoj hrani ne dešavaju hemijske promene (molekule su očuvane). Za termičku obradu mesa, sa nutricionističkog i mikrobiološkog stanovišta, optimalna temperatura mesa treba biti oko 80°C. To je temperatura koja se postiže u mikrotalasnoj peći. Kod površinskog zagrevanja na višim temperaturama (pečenje) dolazi do hemijskih promena, koje se mogu uočiti po intenzivno promenjenoj boji zapečenog mesta i stvaranju hrskavog sloja. Pečenje ne može da se realizuje mikrotalasom. Oni koji ne žele da koriste hranu kojoj je termičkom obradom promenjen hemijski sastav, treba da izbegavaju roštilj.
_____________________________________________________________________ 12
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________ Zagrevanje mikrotalasima mnogo je efikasnije ako je manja debljina hrane koja se zagreva. Mikrotalasi lakše prolaze kroz nju i posudu u kojoj se nalazi, reflektuju se od metalne donje površine radnog prostora MTP, i ponovo, ali sada odozdo, prolaze kroz hranu zagrevajući je.
3. OSNOVNI DELOVI MIKROTALASNE RERNE
_____________________________________________________________________ 13
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Slika 9. Deo osnovnih delova mikrotalsne rerne
U MTR se pomoću mikrotalasa stvaraju grejna tela u hrani koja se termički obrađuje. Zbog toga MTR mora imati generator mikrotalasa – magnetron. Za rad magnetrona potreban je visoki napon (3000 V do 4000 V) koji se obezbeđuje u bloku za napajanje.Tehničkim rešenjem je postignuto da magnetron radi samo za vreme trajanja negativne poluperiode mrežnog napona napajanja. To znači da on u jednoj sekundi proizvede 50 impulsa. S obzirom na to da se zagrevanje u MTR odvija u dve faze; prvoj, kada se stvaraju grejna tela i tada magnetron neprekidno stvara impulse mikrotalasa – formirajući paket impulsa, i drugoj, kada se toplota prostire od grejnih tela konvekcijski, kada magnetron ne radi – ima pauzu. Trajanje dužine paketa impulsa i trajanje pauze omogućuje posebna elektronika, a na osnovu izbora režima rada od strane korisnika. Magnetron je stvorio mikrotalase u svom telu. Odatle se oni odvode talasovodom do otvora u radni prostor MTR. Talasovod je metalna cev pravougaonog preseka. Da se ne bi dogodilo da neki deo hrane koja treba biti termički obrađena ostane _____________________________________________________________________ 14
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________ bez delovanja mikrotalasa, važno je obezbediti da se menja ugao ulaska mikrotalsa u radni prostor. Za to postoji rotacioni reflektor, koji može imati i višestruku ulogu, a to je da sprečava da se talasi reflektovani od unutrašnjosti radnog prostora MTR i vruć vazduh (nastao zbog kontakta sa vrućom hranom) vrate putem talasovoda do magnetrona i ugrozie njegov rad. Radni prostor MTR je oklopljen metalnim zidovima visoke provodnosti. On omogućava da se energija mikrotalasa, nakon jedne ili više refleksija od zidova, utroši na zagrevanje hrane. Ovo oklapanje ima i poseban zadatak: da spreči isticanje mikrotalasne energije iz MTR, kako ne bi učinila rukovaocu ono što čini hrani. Čeona strana radnog prostora su vrata, koja omogućavaju unošenje i vađenje hrane. Ona imaju stakleni prozor sa mrežicom od visokoprovodnog materijala. Mrežica ima otvore takve veličine da se kroz nju može videti šta se događa u radnom prostoru, a da mikrotalasi ne mogu izaći iz radnog prostora. Važan deo svake MTR je sigurnosni sistem za zaključavanje vrata, kako se ne bi desilo da se vrata sama otvore ili da ih neko ne otvori dok je MTR uključena. On omogućava da se vrata otvaraju samo ako MTR nije u radnom režimu. Neke MTR imaju u radnom prostoru rotacionu tacnu na koju se stavlja hrana za obradu. Ova tacna ima zadatak da, okrećući hranu za vreme njenog izlaganja mikrotalasima, pomaže u ravnomernom zagrevanju svih delova hrane (potrebno zbog mikrobiološke zaštite). Mikrotalasne rerne imaju i sistem za ventilaciju. On omogućava da se smanji temperatura vazduha u radnom prostoru. Treba imati u vidu da mikrotalasi ne zagrevaju vazduh, već to čini hrana koja postaje sve toplija, pod delovanjem mikrotalasa. Sistem za ventilaciju je tako napravljen da kroz njega mikrotalasi ne mogu izaći iz radnog prostora. Nabrojani su osnovni delovi skoro svake mikrotalasne peći. Pored njih mogu postojati i razni drugi blokovi, koji od MTR čine uređaj koji može da prepozna i preporuči način pripreme, da pamti određene postupke i sl.
_____________________________________________________________________ 15
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________
Literatura
[1] http://sr.wikipedia.org/sr/Микроталасна_пећ [2] http://www.foti.co.rs/index.php?
_____________________________________________________________________ 16
_____________________Prostiranje toplote - mikrotalasna rerna___________________ [3] http://www.tehnologijahrane.com
_____________________________________________________________________ 17
