乾燥食品のRF加熱

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序章

ラジオ周波数 (RF) 加熱 (または容量性誘電加熱) プロセスは、大きな浸透深さと均一な加熱挙動に関連する高速性により、食品の有望な低エネルギー加熱技術と見なされています。ベーキング、乾燥、解凍、さらには低温殺菌や殺菌など、多くの食品のニーズにうまく適用されています。

従来の RF 加熱プロセスでは、交流電界励起に接続された 2 つの平行電極の間に食品サンプルを配置します。電磁波は、金属電極から 13.56MHz または 27.12MHz または 40.68MHz の周波数で放出されます。これらの周波数は、米国電気通信情報局 [1] によって、家庭用、産業用、科学用として適切に選択されています。 RF と MW はレーダーの範囲内にあり、通信システムに干渉する可能性があるため、これらの周波数は適切に選択する必要がありました。

コンデンサ電極間の交流電場は、極性の急速な変化によって誘導されます。次に、分子はフリップフロップの動きによって振動します (電場で自分自身を配向させようとします)。その結果、隣接する分子間のこの運動と摩擦により、誘電体材料に熱が発生します。 RF 加熱は、主に、電磁エネルギーから熱エネルギーへの変換率を決定する食品の誘電特性の影響を受けます。

HFWorks を使用した FEM 解析により、周波数 27.12MHz の 6 kW 平行板 RF システムで乾燥食品サンプルの RF 加熱プロセスをシミュレートできます。この検討では、食品を高速で加熱するために周囲の食品容器の誘電特性の影響を定量化しようとしています。検討したプロセスの図式を次の図に示します。

問題の説明

検討対象のモデルは、2 つの平行なアルミニウム電極によって制限された RF 空洞チャンバーによって形成されます。下部電極上に配置され、RF 加熱される 3 つの大豆粉層を含む別のポリスチレン容器を支持するポリスチレン シート。熱ソルバーに連成された HFWorks の S パラメータ スタディを使用して、大豆粉材料の電界強度と温度分布を予測します。詳細な寸法を表 1 に示します。

電磁境界条件

ウェーブ ポート:ウェーブ ポート境界は、入口/出口 WG の両方の面に適用され、27.12 MHz で 6 kW のマイクロ波電力が供給されます。
完全導電体:導波路ボックスの上面と底面に PEC 境界条件が適用されます。

メッシュ

より正確な結果を得るには、誘電体部品を加熱するために細かいメッシュ制御が必要です。メッシュ化されたモデル全体を次の図に示します。

結果

HFWorks シミュレーションは次の結果を明らかにしました。最初の図は、6 kW の励起電力に対する食品層全体の電界および磁界分布のコンタープロット結果を示しています。これらのゾーンでのフィールドの反射と屈折により、角と端で高い電界集中が発生しました。

次の GIF アニメーションは、冒頭で詳述したような極性の急速な変化による上部電極と下部電極の間の交流電界の挙動を示しています。

次の表は、6kW の励起電力に対する各食品層の誘電損失量をまとめたものです。

次の図は、小麦粉サンプルと金属電極全体の誘電損失密度と導体損失密度を示しています。最初の図は、最大体積損失密度が電界強度に従うことを確認しています。容器と接する角や側壁に集中しています。導体損失は、印加された励起電力の誘電体損失と比較して無視されます。

熱分析用。周囲温度 20°C、対流係数を 20 W/.C に設定して、サンプルの上部上面に対流境界条件を適用します。3 つの層にわたる大豆のシミュレートされた空間温度プロファイルを以下に示します。ポリスチレン容器と直接接触している最下層で 431°C の最大定常状態値を達成します。

結論

RF 加熱または容量性誘電加熱は、放射および抵抗加熱の側面を含む革新的な技術です。電磁方程式と熱伝達方程式の間の数値結合により、従来の食品加熱の安全な代替手段としての RF 加熱の性能を確認することができました。

参考文献