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Calentamiento dieléctrico

Un horno microondas utiliza calentamiento dieléctrico para cocinar los alimentos. El calentamiento dieléctrico , también conocido como calentamiento electrónico , es el proceso ...

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Un horno microondas utiliza calentamiento dieléctrico para cocinar los alimentos.

El calentamiento dieléctrico , también conocido como calentamiento electrónico , es el proceso mediante el cual un campo eléctrico alterno de radiofrecuencia (RF), o una onda de radio o radiación electromagnética de microondas , calienta un material dieléctrico .

En las aplicaciones modernas se utilizan dos clases de calentamiento dieléctrico. El calentamiento por radiofrecuencia o calentamiento de alta frecuencia se refiere al uso de frecuencias HF y VHF ( 3-300 MHz ). El calentamiento por microondas funciona a frecuencias de microondas más altas ( 0,3-300 GHz ). Ambos funcionan (principalmente) mediante la rotación de dipolos moleculares dentro del dieléctrico inducida por un campo electromagnético oscilante; [ 1 ] la diferencia es que el calentamiento por RF/HF involucra el campo cercano de la antena , mientras que el calentamiento por microondas ocurre principalmente en el campo lejano, lo que genera diferencias en el alcance efectivo, la penetración y la uniformidad del calentamiento. [ 2 ]  

Mecanismo

rotación dipolar

La rotación molecular se produce en materiales que contienen moléculas polares con momento dipolar eléctrico , lo que provoca que se alineen en un campo electromagnético . Si el campo oscila, como en una onda electromagnética o un campo eléctrico que oscila rápidamente, estas moléculas rotan continuamente alineándose con él. Esto se denomina rotación dipolar o polarización dipolar. A medida que el campo alterna, las moléculas invierten su dirección. Las moléculas en rotación empujan, tiran y colisionan con otras moléculas (mediante fuerzas eléctricas), distribuyendo la energía a las moléculas y átomos adyacentes en el material. El proceso de transferencia de energía desde la fuente a la muestra es una forma de calentamiento radiativo.

La temperatura está relacionada con la energía cinética promedio (energía de movimiento) de los átomos o moléculas de un material, por lo que agitar las moléculas de esta manera aumenta la temperatura del material. Así, la rotación dipolar es un mecanismo mediante el cual la energía en forma de radiación electromagnética puede elevar la temperatura de un objeto. Existen también muchos otros mecanismos mediante los cuales se produce esta conversión. [ 3 ]

La rotación dipolar es el mecanismo conocido como calentamiento dieléctrico, y se observa con mayor frecuencia en el horno microondas, donde actúa con mayor eficacia sobre el agua líquida y, en menor medida, sobre grasas y azúcares . Esto se debe a que las moléculas de grasas y azúcares son mucho menos polares que las de agua y, por lo tanto, se ven menos afectadas por las fuerzas generadas por los campos electromagnéticos alternos. Fuera del ámbito culinario, este efecto puede utilizarse para calentar sólidos, líquidos o gases, siempre que contengan dipolos eléctricos.

regímenes de frecuencia

El calentamiento dieléctrico implica el calentamiento de materiales aislantes eléctricos por pérdida dieléctrica . Un campo eléctrico variable a través del material provoca la disipación de energía a medida que las moléculas intentan alinearse con dicho campo. Este campo eléctrico variable puede ser causado por una onda electromagnética que se propaga en el espacio libre (como en un horno microondas) o por un campo eléctrico que alterna rápidamente dentro de un condensador. En este último caso, no existe una onda electromagnética que se propague libremente, y el campo eléctrico variable puede considerarse análogo al componente eléctrico del campo cercano de una antena . En este caso, aunque el calentamiento se logra mediante la variación del campo eléctrico dentro de la cavidad capacitiva a frecuencias de radiofrecuencia (RF), no se generan ni absorben ondas de radio reales . En este sentido, el efecto es el análogo eléctrico directo del calentamiento por inducción magnética , que también es un efecto de campo cercano (por lo tanto, no involucra ondas de radio). [ 4 ]

Como se mencionó anteriormente, el calentamiento dieléctrico práctico funciona en dos rangos: HF/VHF, más comúnmente en el rango de y microondas.

Campo cercano

El calentamiento por RF generalmente utiliza 10–100 MHz . [ 5 ] [ 6 ] Este tipo de calentamiento, como efecto de campo cercano, requiere una distancia desde el radiador electromagnético al absorbedor de menos de ⁠ 𝜆 / 2 π ⁠ ≈ ⁠ 𝜆 / 6 ⁠ de una longitud de onda. [ 7 ] Por lo tanto, es un proceso de contacto o de casi contacto, ya que generalmente intercala el material a calentar (generalmente un no metal) entre placas metálicas que toman el lugar del dieléctrico en lo que es efectivamente un condensador muy grande . [ 2 ] Sin embargo, el contacto eléctrico real no es necesario para calentar un dieléctrico dentro de un condensador, ya que los campos eléctricos que se forman dentro de un condensador sometido a un voltaje no requieren contacto eléctrico de las placas del condensador con el material dieléctrico (no conductor) entre las placas. [ 2 ] Debido a que los campos eléctricos de baja frecuencia penetran los materiales no conductores mucho más profundamente que las microondas, calentando bolsas de agua y organismos en el interior de materiales secos como la madera, [ 8 ] se puede utilizar para calentar y preparar rápidamente muchos alimentos y productos agrícolas no conductores de electricidad, siempre que quepan entre las placas del condensador. [ 9 ] 

Campo lejano

A frecuencias más altas, la longitud de onda del campo electromagnético se vuelve menor que la distancia entre las paredes metálicas de la cavidad de calentamiento o que las dimensiones de las propias paredes. Esto ocurre dentro de un horno microondas . En tales casos, se forman ondas electromagnéticas convencionales de campo lejano (la cavidad ya no actúa como un condensador puro, sino como una antena), las cuales son absorbidas y provocan calentamiento. El mecanismo de deposición de calor por rotación dipolar permanece inalterado.

arrastre iónico

El extremo inferior de HF ( 3-15 MHz  ) muestra un efecto de calentamiento especial en líquidos conductores. Esto se debe a un mecanismo adicional causado por el arrastre iónico , donde los iones cargados son lentamente "arrastrados" de un lado a otro en el líquido bajo la influencia del campo eléctrico, chocando con las moléculas del líquido en el proceso y transfiriéndoles energía cinética, que finalmente se traduce en vibraciones moleculares y, por lo tanto, en energía térmica. [ 10 ] [ 11 ] Las frecuencias más altas varían demasiado rápido para que este efecto sea significativo.

Fuerza

El calentamiento dieléctrico debe distinguirse del calentamiento Joule de medios conductores, que es causado por corrientes eléctricas inducidas en los medios. [ 12 ] Para el calentamiento dieléctrico, la densidad de potencia generada por volumen viene dada por: [ 12 ] [ 13 ]

Q=ω⋅εr″⋅ε0⋅mi2,{\displaystyle Q=\omega \cdot \varepsilon _{\mathrm {r} }''\cdot \varepsilon _{0}\cdot E^{2},}

donde ω es la frecuencia angular de la radiación excitadora, ε r ″ es la parte imaginaria de la permitividad relativa compleja del material absorbente, ε 0 es la permitividad del espacio libre y E la intensidad del campo eléctrico . La parte imaginaria de la permitividad relativa (dependiente de la frecuencia) es una medida de la capacidad de un material dieléctrico para convertir la energía del campo electromagnético en calor, también llamada pérdida dieléctrica . La parte real de la permitividad es el efecto normal de la capacitancia y resulta en potencia reactiva no disipativa .

Si la conductividad σ del material es pequeña, o la frecuencia es alta, de modo que σ ≪ ωε (con ε = ε r ″ · ε 0 ), entonces el calentamiento Joule es bajo, y el calentamiento dieléctrico es el mecanismo dominante de pérdida de energía del campo electromagnético hacia el medio.

regímenes de frecuencia

Las bandas ISM se utilizan para el calentamiento dieléctrico. Las opciones más comunes son 13,56, 27,12 y 40,68 MHz (RF), y 915 MHz, 2450 MHz, 5,8 GHz y 24,124 GHz (MW). [ 1 ]

Calentamiento por radiofrecuencia

El uso de campos eléctricos de alta frecuencia para calentar materiales dieléctricos se propuso en la década de 1930. Por ejemplo, la patente estadounidense 2.147.689 (solicitud de Bell Telephone Laboratories, con fecha de 1937) establece:

" Esta invención se refiere a sistemas de calentamiento para materiales dieléctricos, cuyo objetivo es calentar dichos materiales de forma uniforme y prácticamente simultánea en toda su masa. Por lo tanto, se propone calentar estos materiales simultáneamente en toda su masa mediante la pérdida dieléctrica que se produce en ellos al ser sometidos a un campo de alta tensión y alta frecuencia. "

Esta patente proponía el calentamiento por radiofrecuencia (RF) a una frecuencia de 10 a 20 megahercios (longitud de onda de 15 a 30 metros). [ 14 ] Dichas longitudes de onda eran mucho mayores que la cavidad utilizada y, por lo tanto, aprovechaban los efectos de campo cercano y no las ondas electromagnéticas. (Los hornos microondas comerciales utilizan longitudes de onda que representan solo el 1 % de esa longitud).

Calentamiento por microondas

In addition to heating food, microwaves are widely used for heating in many industrial processes. An industrial microwave tunnel oven for heating plastic parts prior to extrusion.

Microwave heating, uses a higher frequency, so that an electromagnetic wave can be launched from a small dimension emitter and guided through space to the target. Modern microwave ovens make use of electromagnetic waves with electric fields of much higher frequency and shorter wavelength than RF heaters.This provides for highly efficient, but less penetrative, dielectric heating. The limited pentration depth can limit the use of microwave processes on large scale. Microwave flow reactors can overcome this limitation for some applications.[15] Typical domestic microwave ovens operate at 2.45 GHz, but 915 MHz ovens also exist.[16]

Although a capacitor-like set of plates can be used at microwave frequencies, they are not necessary, since the microwaves are already present as far field type EM radiation, and their absorption does not require the same proximity to a small antenna as does RF heating. The material to be heated (a non-metal) can, therefore, simply be placed in the path of the waves, and heating takes place in a non-contact process that does not require capacitative conductive plates.

Penetration

Microwave frequencies penetrate conductive materials, including semi-solid substances like meat and living tissue. The penetration essentially stops where all the penetrating microwave energy has been converted to heat in the tissue. Microwave ovens used to heat food are not set to the frequency for optimal absorption by water. If they were, then the piece of food or liquid in question would absorb all microwave radiation in its outer layer, leading to a cool, unheated centre and a superheated surface.[17] Instead, the frequency selected allows energy to penetrate deeper into the heated food. The frequency of a household microwave oven is 2.45 GHz, while the frequency for optimal absorbency by water is around 10 GHz.[18]

Applications

RF applications

In agriculture, RF dielectric heating has been widely tested and is increasingly used to kill pests in certain food crops after harvest, such as walnuts still in the shell. Because RF heating can heat foods more uniformly than is the case with microwave heating, RF heating holds promise as a way to process foods quickly.[1]

En medicina, el calentamiento por radiofrecuencia de los tejidos corporales, llamado diatermia , se utiliza para la terapia muscular [ 19 ]. El calentamiento a temperaturas más altas, llamado terapia de hipertermia , se utiliza para destruir el cáncer y el tejido tumoral.

El calentamiento por radiofrecuencia se utiliza en la industria maderera para curar los adhesivos empleados en la fabricación de contrachapado , el ensamblaje dentado y la construcción de muebles. El calentamiento por radiofrecuencia también puede utilizarse para acelerar el secado de la madera, las fibras textiles y los materiales aislantes. [ 20 ]

Aplicaciones de microondas

El calentamiento por microondas también se ha probado en el campo de la conservación del patrimonio cultural, específicamente para eliminar hongos negros dañinos de monumentos de piedra. Un estudio de 2013 realizado por Cuzman et al. demostró que la radiación de microondas dirigida a 2,45  GHz, aplicada a 65  °C durante tres minutos, fue capaz de eliminar colonias de hongos (incluyendo Sarcinomyces sp., Pithomyces sp. y Scolecobasidium sp.) encontradas en artefactos históricos de mármol, como réplicas de la estatua del David de Miguel Ángel y muestras de la cueva de Lascaux. El tratamiento fue eficaz para destruir los hongos sin causar daños térmicos o químicos significativos a la superficie de la piedra, ofreciendo una alternativa no invasiva y libre de químicos para el trabajo de conservación. [ 21 ]

En los alimentos

En el secado de alimentos, el calentamiento dieléctrico se suele combinar con el calentamiento convencional. Puede utilizarse para precalentar el alimento en un secador de aire caliente. Al elevar rápidamente la temperatura del alimento y hacer que la humedad se mueva a la superficie, puede disminuir el tiempo total de secado. El calentamiento dieléctrico puede aplicarse a mitad del ciclo de secado, cuando el alimento entra en el período de velocidad decreciente. Esto puede aumentar la velocidad de secado. Si el calentamiento dieléctrico se aplica cerca del final del secado con aire caliente, también puede acortar significativamente el tiempo de secado y, por lo tanto, aumentar el rendimiento del secador. Es más común utilizar el calentamiento dieléctrico en las últimas etapas del secado. Una de las principales aplicaciones del calentamiento por radiofrecuencia (RF) es en el posthorneado de galletas. El objetivo al hornear galletas es producir un producto con el tamaño, la forma, el color y el contenido de humedad adecuados. En un horno convencional, reducir el contenido de humedad al nivel deseado puede ocupar una gran parte del tiempo total de horneado. La aplicación del calentamiento por RF puede acortar el tiempo de horneado. El horno está configurado para producir galletas del tamaño, la forma y el color adecuados, pero el calentamiento por radiofrecuencia se utiliza para eliminar la humedad restante sin sobrecalentar las partes ya secas de la galleta. [ 22 ] La capacidad de un horno puede incrementarse en más del 50 % mediante el uso de calentamiento por radiofrecuencia. El posthorneado con calentamiento por radiofrecuencia también se ha aplicado a cereales para el desayuno y alimentos infantiles a base de cereales. [ 23 ]

La calidad de los alimentos se maximiza y se conserva mejor utilizando energía electromagnética que el calentamiento convencional. El calentamiento convencional produce una gran disparidad de temperatura y tiempos de procesamiento más prolongados, lo que puede causar un procesamiento excesivo en la superficie de los alimentos y un deterioro de la calidad general del producto. [ 24 ] La energía electromagnética permite alcanzar temperaturas de procesamiento más altas en tiempos más cortos, por lo que se conservan más propiedades nutricionales y sensoriales. [ 25 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Piyasena P; et  al. (2003), "Calentamiento de alimentos por radiofrecuencia: principios, aplicaciones y propiedades relacionadas: una revisión", Crit Rev Food Sci Nutr , 43 (6): 587– 606, doi : 10.1080/10408690390251129 , PMID 14669879 , S2CID 24407944  
  2. 1 2 3 Metaxas, AC; Meredith, RJ (1983). Calentamiento industrial por microondas . Peter Peregrinus Ltd. págs. 21–25 . 
  3. ↑ Shah, Yadish (12 de enero de 2018). Energía térmica: fuentes, recuperación y aplicaciones . Baton Rouge, FL: CRC Press. ISBN 9781315305936Consultado el 27 de marzo de 2018 .
  4. ↑ Awuah, George (2014). Calentamiento por radiofrecuencia en el procesamiento de alimentos : principios y aplicaciones . CRC Press. págs. 18–19 . ISBN   9781439837054.
  5. ↑ Jones, Peter L. (14 de febrero de 2011), "Calefacción por alta frecuencia" , Thermopedia , Begel House Inc., doi : 10.1615/atoz.h.high_frequency_heating , ISBN 978-1-56700-456-4, consultado el 10 de septiembre de 2025
  6. ↑ Altemimi, Ammar; Aziz, Salah Naji; Al-HiIphy, Asaad RS; Lakhssassi, Naoufal; Watson, Dennis G; Ibrahim, Salam A (2019-06-10). "Revisión crítica de las aplicaciones de calentamiento por radiofrecuencia (RF) en el procesamiento de alimentos" . Food Quality and Safety . 3 (2): 81– 91. doi : 10.1093/fqsafe/fyz002 . ISSN 2399-1399 . 
  7. ↑ Orfanidis, SJ (2016). Ondas electromagnéticas y antenas . Universidad de Rutgers. pág. 172. ISBN  978-0-13-093855-8.
  8. ↑Baker-Jarvis, James; Kim, Sung (2012-02-02). "The Interaction of Radio-Frequency Fields With Dielectric Materials at Macroscopic to Mesoscopic Scales"(PDF). Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 117: 1–24. doi:10.6028/jres.117.001. PMC 4553869. PMID 26900513.
  9. ↑Wang, S.; Tang, J. (2007). "Chapter 3: Temperature Measurement in Radio-Frequency Applications". Radio Frequency Heating in Food Processing. CRC Press. pp. 31–42. ISBN 978-1439837047.
  10. ↑Tamarov, Konstantin; Gongalsky, Maxim; Osminkina, Liubov; Huang, Yuanhui; Omar, Murad; Yakunin, Valery; Ntziachristos, Vasilis; Razansky, Daniel; Timoshenko, Victor (2017-05-10). "Electrolytic conductivity-related radiofrequency heating of aqueous suspensions of nanoparticles for biomedicine". Physical Chemistry Chemical Physics. 19 (18): 11510–11517. Bibcode:2017PCCP...1911510T. doi:10.1039/C7CP00728K. ISSN 1463-9084. PMID 28425519.
  11. ↑Ferdous, Md. Saimoom. Design of a Radio Frequency Heating System for Electrolytic Liquids and Sludges. M.A.Sc. thesis, University of British Columbia, 2015.
  12. 12Pryor, Roger. "Modeling Dielectric Heating: A First Principles Approach"(PDF). Pryor Knowledge Systems, Inc. Retrieved 27 March 2018.
  13. ↑Vollmer, Michael (2004). "Physics of the microwave oven". Physics Education. 39 (74). IOP: 74–81. Bibcode:2004PhyEd..39...74V. doi:10.1088/0031-9120/39/1/006. S2CID 250796895.
  14. ↑U.S. patent 2,147,689. Method and apparatus for heating dielectric materials - J.G. Chafee
  15. ↑ Barham, Joshua P.; Koyama, Emiko; Norikane, Yasuo; Ohneda, Noriyuki; Yoshimura, Takeo (2019). "Flujo de microondas: una perspectiva sobre las configuraciones de reactores y microondas y el surgimiento del calentamiento monomodo sintonizable hacia aplicaciones a gran escala". The Chemical Record . 19 (1): 188– 203. doi : 10.1002/tcr.201800104 . PMID 30457695 . 
  16. ↑ "El espectro electromagnético" . Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Caja de herramientas del astronauta . Consultado el 30 de noviembre de 2016 .
  17. ↑ Slepkov, Aaron (2018). "¿Por qué las microondas no están sintonizadas a la frecuencia de resonancia del agua? ¿Qué pasaría si lo estuvieran?" .
  18. ↑ Whittaker, Gavin (1997). "Introducción básica a la química de microondas" . Archivado del original el 6 de julio de 2010.
  19. ↑ "Diathermy", Collins English Dictionary - Complete & Unabridged 10th Edition. Consultado el 29 de agosto de 2013 en el sitio web Dictionary.com.
  20. ↑ "Radiofrecuencia - Tecnología de radiofrecuencia" . www.rotkopf.it . Consultado el 21 de mayo de 2025 .
  21. ↑ "ESTUDIO PRELIMINAR SOBRE EL CONTROL DE HONGOS NEGROS QUE HABITAN EN MONUMENTOS DE PIEDRA MEDIANTE EL USO DE UN SISTEMA DE CALEFACCIÓN POR MICROONDAS" (PDF) .
  22. ↑ Fellows, PJ (2017). Tecnología de procesamiento de alimentos: principios y práctica . Reino Unido: Woodhead Publishing. págs. 826–827 . ISBN  978-0-08-101907-8.
  23. ↑ Brennan, JG (2003). "SECADO | Secado dieléctrico y osmótico". Enciclopedia de Ciencias de los Alimentos y Nutrición (Segunda edición). págs. 1938–1942 . doi : 10.1016/B0-12-227055-X/00372-2 . ISBN   9780122270550.
  24. ↑ Datta, Ashim K.; Davidson, P. Michael (1 de noviembre de 2000). "Procesamiento por microondas y radiofrecuencia". Journal of Food Science . 65 : 32–41 . doi : 10.1111/j.1750-3841.2000.tb00616.x . ISSN 1750-3841 . 
  25. ↑ Fellows, Peter (2017). Tecnología de procesamiento de alimentos . Editorial Woodheat. pp. 813–840 . ISBN  978-0-08-101907-8.
  • Metaxas, AC (1996). Fundamentos del electrocalentamiento: un enfoque unificado . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-95644-9.
  • Metaxas, AC, Meredith, RJ (1983). Calentamiento industrial por microondas (Serie de ingeniería de potencia del IEE) . Institution of Engineering and Technology. ISBN 0-906048-89-3.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  • Patente estadounidense 2.147.689 – Método y aparato para calentar materiales dieléctricos