Microgolfverwarming

___________________

Het is geen loze uitdrukking wanneer wij zeggen dat microgolfverhitting een omwenteling zal betekenen in het voedsel bereidingsproces. Dat wil niet zeggen dat microgolfverhitting alle andere verwarmingsmethoden zal verdringen. Maar zoals vaak in de techniek gebeurt, een nieuwe mogelijkheid komt naar voren op het ogenblik dat het past in het veranderde levenspatroon van de mensen. Microgolfverwarming is homogene verwarming en laat dus een veel grotere energiedichtheid en verwarmingssnelheid toe dan iedere andere vorm van verwarming. Om een paar cijfers te noemen: regelmatig wordt een energiestroom gebruikt van 4 W per cm5 en een energiedichtheid van 4 W per gram. Experimenteel zijn wij tot waarden van 40 W per cm5 en een dichtheid van 28 W  per gram gegaan. Hierbij traden geen ongunstige effecten op zoals plaatselijke verbranding of uitdroging.

Wij hebben het woord "homogene verwarming" genoemd. De conventionele verwarmingsmethoden zijn door ir. Beverloo al behandeld. Deze zijn

contactverwarming, hetzij droog of nat, in waterige vloeistoffen of in olie; convectieverwarming: stralingsverwarming en condensatieverwarming. Ten opzichte van vaste voedseldelen hebben al deze methoden gemeen dat ze de warmte brengen tot de buitenkant. Naar binnen moet de warmte haar weg zoeken door geleiding. Dat betekent een warmtestroom gedreven door een warmtegradiënt. De buitentemperatuur is dan vaak veel hoger dan de gewenste inwendige temperatuur. Nu zijn voedseldelen slechte warmtegeleiders, maat behalve dat is de maximaal toelaatbare temperatuur aan de buitenkant bepaalt. Microgolfverwarming is iets heel anders. De verwarming van het voedsel wordt niet beperkt door de warmte naar het oppervlak te brengen, doch door deze vrijwel homogeen in het voedsel zelf op te wekken. Hierbij treedt dus geen gradiënt op, er wordt geen gebruik van de thermische geleiding gemaakt en er is in het ideale geval geen begrenzing van de energiedichtheid en van de verwarmingssnelheid.

Fysica van de microgolfverwarming

Microgolfverwarming is eigenlijk diëlektrische verwarming, d.w.z. verwarming van een slechte elektrische geleider in een elektrisch wisselveld. Indien wij een vlakke condensator beschouwen met als diëlektricum een slechte elektrische geleider, en we zetten een gelijkspanning op de beide elektroden, platen, dan vinden wij in het diëlektricum een bepaalde spanningtoestand, veldsterkte genaamd, welke afhankelijk is van de spanning en de afstand. Afgezien van randeffecten is deze veldsterkte in een homogeen diëlektricum ook homogeen. Indien in het diëlektricum deeltjes, moleculen, voorkomen die zelf een elektrisch dipooleffect vertonen en die bovendien een bepaalde beweging kunnen uitvoeren, dan zullen deze dipolen zich gaan richten volgens de veldsterkte, de min pool naar de plus elektrode en de plus pool naar de min elektrode. Deze beweging die een rotatie betekent van de dipolen ondervindt een tegenwerkende richtkracht en een wrijving. Indien de veldsterkte homogeen is zal de elektrische richtkracht ook homogeen werken, dus gelijkmatig door het gehele volume zijn verdeeld. Keren wij nu de veldrichting om, dan zullen de dipooldeeltjes of moleculen zich naar een tegengestelde eindstand draaien, weer met plus pool naar min elektrode en omgekeerd. Zetten wij tussen de elektroden een elektrisch wisselveld dan draaien de dipoolmoleculen heen en weer met de snelheid van het wisselveld, de frequentie. Zij bereiken eindstanden afhankelijk van de veldsterkte, dus de spanning. Bij iedere beweging van de deeltjes, wordt de ondervonden wrijving in warmte omgezet. Zo krijgen wij als macroeffect van de microbeweging een homogeen verdeelde verarming.

Het zal duidelijk zijn dat deze verwarming evenredig is met het aantal veldwisselingen per seconde en met het kwadraat van de spanning, de aantrekking. Uiteraard spelen de eigenschappen van het materiaal ook een rol en wel de verliesfactor, dus de mate waarin de behandelde stof het beschreven effect vertoont en de diëlektrische constante. Dit laatste omdat het diëlektricum niet homogeen is, maar gedeeltelijk uit de te verwarmen stoffen bestaat en voor de rest uit lucht. Indien we bv. een stuk vlees leggen tussen een paar condensatorplaten en we zetten op deze platen een wisselspanning van 220 V van de netfrequentie, dan bemerken we geen enkel effect. Verhogen wij de spanning, dus de veldsterkte, dan slaat uiteindelijk het diëlektricum door onder vonk-, boog- en verbrandingsverschijnselen, lang vóór dat merkbare diëlektrische verwarming optreedt. Speciaal waterdamphoudende atmosfeer, wasem, leidt gemakkelijk deze doorslag in. Wordt echter in plaats van de spanning de frequentie steeds meer verwarming. Om een maximale verwarming te krijgen moeten wij een maximale frequentie gebruiken, die echter beperkt wordt door secundaire effecten, waarop later wordt ingegaan.

Uitvoerige proeven en overwegingen hebben geleid tot de vrijwel universele acceptatie van een frequentie van 2450 MHz dus 2450 miljoen wisselingen per seconde. Deze frequentie is op de internationale conferenties gereserveerd om storing van andere diensten te voorkomen. De gekozen frequentie maakt zeer hoge energiedichtheden mogelijk, zonder dat in wasemlucht overslag of ionisatie optreedt. De verliesfactoren van diverse voedselmaterialen zijn bij deze frequentie hoog. De onderlinge verschillen tussen verscheidene materialen zijn kleiner dan bij lagere frequenties.

De vermogens die wij voor praktisch gebruik nodig hebben, zijn met een gunstig rendement om te zetten van de netfrequentie in de werkfrequenties. Bovendien is de apparatuur betrekkelijk eenvoudig. Nog hogere frequenties ontmoeten bezwaren waarop wij later nog terugkomen.

Maar hoe is nu de invloed van deze microgolfverhitting op de kwaliteit van het voedsel? Op dit gebied ben ik geen specialist. Al jaren geleden is aan het Instituut voor Landbouw huishoudkundig Onderzoek gevraagd ons hierover voor te lichten. Een Amerikaans prototype oven is ter beschikking gesteld. Een ander effect dan verwarming is nooit geconstateerd. Elektrolyse of ionisatie treden niet op omdat er geen gelijkstromen in het voedsel lopen. Gunstige of ongunstige effecten van microgolfverhitting zijn dus terug te brengen tot gunstige of ongunstige effecten van de snelle verwarming, die kan worden bereikt. Het gevaar voor de bediening is terug te brengen tot overmatige verwarming van lichaamsdelen. De internationaal aanvaarde

tolerantiedosis van 10 mW/cm5 schijnt ieder gevaar uit te sluiten. De opdracht aan de ovenconstructeurs is dus geweest om deze op geen enkele bereikbare plaats te overschrijden en dit is tot nu toe gelukt.

Techniek van de microgolfverwarming

Zoals reeds gezegd, werkt microgolfverwarming met een frequentie van 2430 MHz, dat is een golflengte van ongeveer 12 cm. deze golflengte mag men zich gerust materieel denken. Knopen en buiken in de amplitude van deze trilling verschijnen op afstanden van 6 cm. Condensatorplaten met afmetingen groter dan enkele cm hebben bij deze golflengte daarom geen gelijkmatige, egale spanningsverdeling. Dan is er geen sprake van een gelijkmatige veldsterkte over het oppervlak van de platen. Het resultaat zou zijn dat voedsel verwarmd werd overeenkomstig de plaats van de knopen en buiken. Bovendien zou een open condensator als een antenne stralen en daardoor zijn energie verkwisten. Daarom werkt de microgolftechniek met golfgeleiders, ronde of rechthoekige pijpen voor het transporteren van de energie en met gesloten metalen dozen, cavities in plaats van condensatoren.

Microgolven hunnen als een quasioptisch verschijnsel behandeld worden. zij reflecteren aan een metalen wand, met behulp van een parabolische reflector kunnen zij gebundeld worden. Het is mogelijk aan de mond van een platte parabool, kaas genaamd, een gelijkmatig veld en dus een gelijkmatige energiestroom te verkrijgen. Dit verschijnsel is van grote waarde voor de verwarming op een lopende band. Wij noemen dit zoneverhitting.

De doos- of cavityoven werkt discontinu, deurtje open, voedsel in, deurtje dicht etc, terwijl de lopende band oven een continue productie van verwarmd materieel kan geven.

De microgolfenergie wordt opgewekt in een speciaal buistype, het magnetron waarvan de afmetingen in een directe relatie staan tot de golflengte. Voor 2450 MHz is het mogelijk gebleken buizen te construeren die een continue vermogen afgeven tot 5 kW. We maken ze voor 2 en 5 kW. Omdat een magnetron het voor een hoogfrequent generator zeer hoge rendement heeft van ongeveer 50%, is er daarbij ook een verliesenergie van resp. heldere frequenties dan 2450 MHz zijn momenteel praktisch geen buizen te bouwen waarmee de genoemde vermogens opgewekt kunnen worden. Ook dit is een beperking voor de frequentie.

Microgolfkilowatts zijn van warmtestandpunt gezien gewone kilo­watts. Het thermische equivalent van 1 kWh is 860 kcal, dus van 1 kW minuut 18 kcal. Om 1 kg voedsel, dat we voor het gemak even gelijkstellen aan 1 kg water, van -20EC op +80EC te brengen, moeten we 3 trajecten doorlopen. Eerst van -20EC tot -0EC. De specifieke warmte van ijs is ongeveer 0.5, dus  moeten we 10 kcal toevoeren. Van -0 tot +0 moet de smeltingswarmte  worden geleverd, dat is ongeveer 80 kcal en we hebben ook nog weer een 80 kcal nodig om van +0 tot +80EC te komen. Totaal dus 170 kcal. Dan kunnen we met 1 kWh 860 : 170 - 5 kg voedsel van diepvries tot gebruikstemperatuur brengen, of met 1 kW 5 kg per uur.

Moeilijkheden bij microgolfverwarming

Indien wij verschillende voedselmaterialen gelijktijdig in een microgolfoven brengen, moeten wij rekening houden met het natuurgegeven dat ze een verschillende diëlektrische constantie en verliesfactor hebben; ze worden dus niet even snel verwarmd. Toch willen wij bij gebruik van 2 of meer componenten op één bord een eindproduct hebben dat gelijkmatig van temperatuur is. Gelukkig help de natuur ons een handje. Hoe hoger de frequentie, des te geringer de onderlinge verschillen. Niettemin moet bij de voorbereiding vóór het snelvriezen rekening gehouden worden met deze moeilijkheid. De receptuur, de configuratie, de staat van voorbereiding, gaarheid, zij spelen hierbij allemaal een rol. De kwestie of en hoe het materiaal diepvriezen verdraagt, is uiteraard belangrijk. De meeste moeilijkheden geeft het overgangspunt: bevroren-ontdooid omdat daarbij materiaaleigenschappen sprongsgewijs schijnen te veranderen. Helaas laat de wetenschap ons bij de studie van het proces in de steek. Er zijn praktisch geen gegevens bekend omtrent de specifieke warmte, de diëlektrische constante en verliesfactor bij 2450 MHz van voedselmaterialen, mede rekening houdend met de temperatuur en de bereidingsfase. Empirie, ervaring, is dus de enige richtlijn van de microgolfkok en wij hebben veel bewondering voor de mensen die erin zijn geslaagd het huidige niveau te bereiken. Alles wijst erop dat dit bij lange na het eindniveau nog niet is.

De gelijkmatigheid van de verhitting wordt gedeeltelijk ook door de constructie van de oven bepaald. Wordt door een kleine ongelijkmatigheid de temperatuur plaatselijk hoog, dan stijgt daar de verliesfactor; de verwarming concentreert zich op die plek en we kunnen bijvoorbeeld kokende plaatsen krijgen omgeven door ijs. Ook hier zijn  het de receptuur en de configuratie die van de voedselzijde deze moeilijkheid moeten voorkomen.

En wonder boven wonder lukt het ook nog. Langzaam verwarmen, zodat door de inwendige thermische geleiding een egalisatie optreedt, vergemakkelijkt een en ander zou men zeggen, maar we zijn juist geïnteresseerd in snelheid.

Er is nog een moeilijkheid. Wij hebben gezegd dat microgolfverwarming homogeen is. Dit is slechts bij benadering waar. Energie die in de buitenste lagen omgezet is in warmte, bereikt de binnenste lagen niet.

Er dus een indringdiepte, gedeeltelijk afhankelijk van de frequentie en de verliesfactor. Deze indringdiepte is voor voedselmateriaal bij 2450 MHz 3 tot 5 cm, afhankelijk van de samenstelling.

Als wij de microgolfenergie van twee kanten laten inwerken, wordt daardoor de praktisch toepasbare dikte van het materiaal verdubbeld. Bij hogere

frequentie wordt de indringdiepte kleiner en dus onbruikbaar klein.

Toepassingsprocessen

Er zijn drie methodieken waarbij wij in het voedsel bereidingsproces microgolf kunnen toepassen:

1. het koken, d.w.z. de eigenlijke bereiding uit rauwe toestand,

2. het verwarmen van voorbereid gekoeld voedsel,

3. het verwarmen van voorbereid diepgevroren voedsel.

Deze drie methodieken hebben ieder hun eigen toepassinggebieden en de microgolfverwarming heeft in ieder van deze belangrijke voordelen boven de conventionele methoden. Niet dat het microgolf koken alle andere kook- en braadmethoden zal vervangen. Toch staan wij iedere keer verbaasd over beter bereiden of geheel nieuwe gerechten uitvinden dank zij de microgolfverwarming. Het gebruik van voorbereid, gekoeld of bevroren voedsel maakt de bereidingsfase, dit zowel wat plaats, wat tijd van de dag en wat tijd van het jaar betreft. De bereidingskeuken kan een zelfstandig, efficiënt bedrijf worden, al of niet in een instituut of in een fabriek ondergebracht. Het gereserveerd voedsel kan gelijkwaardig of zelfs superieur zijn in vergelijking met het conventioneel bereide. De diepvries-microgolfprocedure spant daarbij wel de kroon.

Invloed van microgolfverwarming op het voedselbereidings-

distributieproces

Hierop kan nu niet uitvoerig ingegaan worden maar de effecten die bereikt worden, zijn bijzonder belangrijk, nl.;

- betere smaak, kwaliteit, hygiëne en grotere keuzemogelijkheid

- sneller serveren

- veranderde discipline

- veranderde lokalisatie van deelprocessen

- verbeterde werktijden

- minder verliezen en minder afwas

Tenslotte is het alleen de microgolfverwarming die de weg opent naar de maaltijdautomaat: bewaren in diepvries en zeer snelle verhitting met microgolf na betaling.

Wij zijn ons ervan bewust misschien evenveel vragen opgeroepen te hebben als beweringen voorgedragen. Laten wij ons evenwel realiseren dat microgolfverwarming volkomen uniek is, in de eigenschap dat deze de snelheid van verwarming op een nieuwe basis brengt. Die basis uitbouwen tot een gebouw is de taak van wetenschap en techniek om op dit gebied volledig de voordelen te bereiken die erin verscholen liggen. En die voordelen zijn de moeite waard om ze te exploiteren.

naar nic