Методика расширения возможностей термоиндикации стандартной термобумаги для исследования распределения поля в микроволновой камере

Рассмотрены методы изучения распределения плотности мощности сверхвысокочастотного поля внутри установок для микроволновой термообработки материалов, выявлены недостатки указанных методов. Предложена методика расширения возможностей термоиндикации стандартной термобумаги. Приведён пример исследования распределения температур при нагреве трёхслойной термоиндикаторной сборки в микроволновой камере лучевого типа мощностью около 600 Вт. Исследованы температурные изменения оптической плотности стандартной термобумаги в диапазоне 25–400 °С методом денситометрии в отражённом свете. На основе анализа температурной зависимости изменения оптической плотности отражения выделено шесть областей преобразования стандартной термобумаги: диапазоны температур 25–70; 70–100; 100– 150; 150–210; 210–290; 290–400 °С и соответственно оптической плотности 0,06–0,07; 0,08–0,90; 0,91–0,99; 0,71–0,91; 0,21– 0,70; 0,20–0,38 Б. В первой области оптическая плотность термобумаги не изменяется относительно исходной поверхности, во второй области происходит начальное увеличение оптической плотности. В третьей и четвёртой областях достигается максимальная оптическая плотность за счёт потемнения лейкокрасителя, при этом в третьей области наблюдается гладкая поверхность термобумаги, а в четвёртой – бархатистая поверхность термобумаги за счёт образования микрокристалликов и сгустков материала термочувствительного слоя. В пятой области происходит резкое уменьшение оптической плотности в результате обесцвечивания лейкокрасителя, и в шестой – вторичный рост оптической плотности из-за карбонизации бумажной основы. Полученные результаты можно использовать при проектировании сверхвысокочастотного оборудования, а также при оптимизации условий микроволновой обработки материалов и изделий в пищевой, химической, электронной и других областях промышленности. Разработанная методика также актуальна для локальных измерений неоднородности распределения температурных полей при невозможности использования других методов термометрии.

1. Kalinke I., Kubbutat P., Di nani S. T., Ambros S., Ozcelik M., Kulozik U. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2022, vol. 21, no. 3, pp. 2118–2148. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12940

2. Regier M., Knoerzer K., Schubert H. (ed.). The microwave processing of foods, Woodhead publishing, 2016, 448 p.

3. Datta A. K., Anantheswaran R. C. Handbook of microwave technology for food application, CRC Press, 2001, 536 p.

4. Dabrowska S. et al, Crystals, 2018, vol. 8, no. 10, 379. https://doi.org/10.3390/cryst8100379 5. Leonelli C., Mason T. J. Chemical Engineering and Processing: Process Intensifi cation, 2010, vol. 49, no. 9, pp. 885– 900. https://doi.org/10.1016/j.cep.2010.05.006

5. Mehdizadeh M. Microwave/RF applicators and probes for material heating, sensing, and plasma generation: a design guide, Oxford, William Andrew, Elsevier, 2010, 388 p.

6. Комаров В. В. Исследование процессов СВЧ-нагрева жидких полимеров в многомодовой резонаторной камере // Прикладная физика. 2009. №. 4. С. 133–136. [Komarov V. V. Prikladnaya fi zika, 2009, no. 4, pp. 133–136 (In Russ.)]

7. Knoerzer K., Juliano P., Roupas P., Versteeg C. Innovative Food Processing Technologies: Advances in Multiphysics Simulation, John Wiley & Sons, 2011, 374 p. https://doi.org/10.1002/9780470959435

8. Kharkovsky S. N., Hasar U. C. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2003, vol. 52, no. 6, pp. 1815– 1819. https://doi.org/10.1109/TIM.2003.820453

9. Sturm G. S. J. et al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, vol. 55, no. 13-14, pp. 3800–3811. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.02.065

10. Khattak H. K., Bianucci P., Slepkov A. D. PNAS, 2019, vol. 116, no. 10, pp. 4000–4005. https://doi.org/10.1073/pnas.1818350116

11. George J., Bergman R. Microwave and Optical Technology Letters, 2006, vol. 48, no. 6, pp. 1179–1182. https://doi.org/10.1002/mop.21572

12. Starn T. K. et al. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2002, vol 57, no. 2, pp. 267–275. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(01)00381-0

13. Bradshaw S., Delport S., Wyk E. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, 1997, vol. 32, no. 2, pp. 87–95. https://doi.org/10.1080/08327823.1997.11688328

14. Truffi B. Le papier thermique [сайт]. URL: http://cerig.efpg. inpg.fr/ICG/Dossiers/Papier_thermique/sommaire.htm (дата обращения: 11.05.2022).

15. Lupi S. Fundamentals of Electroheat: Electrical Technologies for Process Heating, Springer International Publishing Switzerland, 2017. 620 p.

16. Ju H. J., Zhao Q. Simulation and experimental method for microwave oven. Journal of Electronic Science and Technology of Сhina, 2009, vol. 7, no. 2, pp. 188–191, available at: http:// www.journal.uestc.edu.cn/fileDZKJDX_EN/journal/article/dz kjdxxbywb/2009/2/PDF/2009-2-188.pdf (accessed: 02.05.2023).

17. Gerdes T., Willert-Porada M., Rödiger K., Dreyer K. MRS Online Proceedings Library (OPL), 1996, 430, 175. https://doi.org/10.1557/PROC-430-175

18. Gold S. H. et al. Review of scientifi c instruments, 2004, vol. 75, no. 8, pp. 2678–2685. https://doi.org/10.1063/1.1775315

19. Матвеев Е. В., Гайдар А. И., Лапшинов Б. А., Мамонтов А. В., Берестов В. В. СВЧ карбонизация хлопкового волокна для получения углеродных материалов // Перспективные материалы. 2021. № 11. С. 54–68. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2021-11-54-68

20. Webster J. G., Eren H. Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook: Electromagnetic, Optical, Radiation, Chemical, and Biomedical Measurement (2nd ed.), CRC Press, 2014, 1921 p.

21. Allen E., Triantaphillidou S. The manual of photography (10th ed.), CRC Press, 2012, 566 p.

22. Киппхан Г. Энциклопедия по печатным средствам информации. Технологии и способы производства. Часть 1. М.: МГУП, 2003. 1280 с.