Rodzaj studiów: Stacjonarne, ŻCziOŻ	Nr.grupy ćwiczeniowej:	Data wykonania ćwiczenia: 20/11/2013	Temat ćwiczenia: Kuchenka mikrofalowa
Nazwiska i imiona:

Wstęp:

Kuchenka mikrofalowa to urządzenie powszechnie wykorzystywane do podgrzewania, gotowania, grillowania, pieczenia i rozmrażania potraw. Wykorzystywana jest zarówno w zakładach gastronomicznych jak i w gospodarstwach domowych.

Celem badania było określenie równomierności nagrzewania mikrofalami, wpływu poziomu mocy kuchenki, masy i kształtu produktu na czas nagrzewania, badanie procesu rozmrażania oraz określenie sprawności kuchenki.

Schemat urządzenia:

Schemat 1. Kuchnia mikrofalowa

Materiał badawczy:

Podczas wszystkich badań, z wyjątkiem procesu rozmrażania, materiałem badawczym była woda destylowana. Do analizy procesu rozmrażania wykorzystano pizzę Rigga.

Metodyka badawcza:

Kuchnia mikrofalowa jest to urządzenie, które służy do podgrzewania, gotowania, grillowania i pieczenia różnego rodzaju potraw. Źródłem mikrofal w kuchence mikrofalowej jest magnetron, który wytwarza fale o częstotliwości 2,45 GHz, co odpowiada długości fali 12,2 cm. Magnetron jest diodą cylindryczną, w której katodą jest metalowy walec emitujący wolne elektrony, umieszczony w anodzie w kształcie pierścienia z rezonatorami wnękowymi. Dioda umieszczona jest między dwoma stałymi magnesami. Elektrony dzięki wzrostowi cząsteczkowej aktywności wewnątrz katody, płyną przez przewodnik od katody do anody, co powoduje powstawanie pola magnetycznego wokół przewodnika. Oscylujące pole mikrofalowe, wytworzone przez drgający obwód rezonansowy, kieruje je falowodem do wnętrza kuchenki.

Rys.1 Szczegółowy schemat magnetronu

Częstotliwość drgań mikrofal jest dobrana tak, aby dzięki rezonansowi pochłaniały ją cząsteczki wody w potrawie, które jako cząsteczki polarne oddziaływają z falami elektromagnetycznymi. Pochłanianie energii przez cząsteczki wody wywołuje ich drganie i obracanie się wiele tysięcy razy na minutę, co powoduje wzrost temperatury, która na zasadzie przewodzenia dociera do pozostałej części potrawy, powodując podgrzewanie umieszczonego w kuchence produktu.

Do wyrównania natężenia mikrofal w komorze grzewczej kuchni mikrofalowej stosuje się mieszadła a także talerz obrotowy, na który umieszcza się ogrzewany produkt.

Wnętrze kuchenki wyłożone jest materiałem odbijającym promieniowanie mikrofalowe, aby zwiększyć efektywność wykorzystania energii oraz aby zabezpieczyć użytkowników przed szkodliwym działaniem promieniowania.

Rozwiązania w kuchence mikrofalowej mające na celu zwiększenie efektywności procesu ogrzewania i podniesienie walorów smakowych potraw:

• Termoobieg – wentylator w tylnej ścianie komory, który równomiernie rozprowadza powietrze, skracając czas przygotowanie potrawy.

• Grill – stalowa lub kwarcowa grzałka o mocy 600-1850 W, zainstalowana najczęściej u góry komory, dzięki której można rumienić potrawy. Grzałka kwarcowa rozgrzewa się szybciej, zużywa mniej energii i jest łatwiejsza do czyszczenia.

• Funkcja gotowania na parze – woda wlana do specjalnego pojemnika paruje po rozgrzaniu przez mikrofale.

• Gorący talerz – nakładka na obrotowy talerz, zrobiona z materiału szybko nagrzewającego się pod wpływem mikrofal. Produkty są ogrzewane też od spodu, co jest ważne na przykład podczas pieczenia ciasta albo frytek.

Podczas badań wykonano następujące czynności:

1. Badanie równomierności nagrzewania mikrofalami:

• Przygotowano 3 identyczne zlewki napełnione wodą destylowaną po 150cm³ każda.

• Zmierzono temperatury początkowe wody w zlewkach.

• Wstawiono zlewki do komory roboczej na promieniu talerza obrotowego tak, aby pierwsza była na środku, druga w połowie promienia, a trzecie na krańcu promienia.

• Ustawiono maksymalną moc kuchenki – 900W.

• Ogrzewano przez 1 minutę, następnie sprawdzono temperaturę wody.

• Powtarzano pomiar przez kolejne okresy jednominutowe do uzyskania w jednej ze zlewek temperatury 100^oC.

1. Badanie wpływu masy produktu na czas nagrzewania:

• Przygotowano 3 zlewki napełnione wodą destylowaną kolejno po 50,100 i 150cm³ .

• Zmierzono temperatury początkowe wody w zlewkach.

• Pojedynczo wstawiano zlewki do komory roboczej na środku geometrycznym talerza obrotowego.

• Ustawiono maksymalną moc kuchenki – 900W.

• Ogrzewano przez 1 minutę, następnie sprawdzono temperaturę wody.

• Powtarzano pomiar przez kolejne okresy jednominutowe do uzyskania 100^oC

• Te same czynności wykonano dla pozostałych zlewek.

1. Badanie wpływu kształtu naczynia na czas ogrzewania:

• Przygotowano 4 zlewki o różnym kształcie, napełnione wodą destylowaną po 150 cm³ każda.

• Zmierzono i wyrównano temperatury początkowe w zlewkach.

• Pojedynczo wstawiano zlewki do komory roboczej na środku geometrycznym talerza obrotowego.

• Ustawiono maksymalną moc kuchenki – 900W.

• Ogrzewano zlewki, mierząc czas aż do uzyskania temperatury 100^oC.

1. Badanie sprawności cieplnej kuchenki mikrofalowej.

• Spisano stan licznika energii eklektycznej.

• Zważono dwie puste zlewki.

• Napełniono je wodą destylowaną: pierwszą 100cm³, drugą 200cm³.

• Zważono zlewki z wodą.

• Zmierzono temperatury zlewek i wody.

• Pojedynczo wstawiano zlewki do komory roboczej na środku geometrycznym talerza obrotowego.

• Ustawiono maksymalną moc kuchenki – 900W.

• Ogrzewano każdą ze zlewek przez 3 minuty.

• Po każdym ogrzewaniu spisywano stan licznika energii elektrycznej, temperaturę zlewki i wody.

Obliczono sprawność urządzenia mikrofalowego według wzoru:

$$n = \frac{Q + Q_{1}}{\text{EA}} \times 100\%$$

Gdzie:

η- sprawność cieplna kuchenki mikrofalowej

A – ilość energii elektrycznej pobranej przez kuchenkę mikrofalową

E – cieplny równoważnik energii elektrycznej (E= 3600kJ*kWh-1)

Q – ciepło wykorzystane do nagrzania wody [kJ] Q=m_wc_w(t₂-t₁)

Q₁ – ciepło wykorzystane do nagrzania zlewki [kJ] Q₁=m_zc_z(t₂-t₁)

c_w- ciepło właściwe wody c_w =4,19 kJ/kg/K

c_z- ciepło właściwe szklanej zlewki c_z =0,8 kJ/kg/K

m_w – masa wody [kg]

m_z – masa zlewki [kg]

1. Badanie wpływu wykorzystania poziomu mocy kuchenki na czas ogrzewania:

• Przygotowano 3 identyczne zlewki napełnione wodą destylowaną po 150cm³ każda.

• Zmierzono i wyrównano temperatury początkowe wody w zlewkach.

• Pojedynczo wstawiano zlewki do komory roboczej na środku geometrycznym talerza obrotowego.

• Pierwszą zlewkę ogrzewano na maksymalnej mocy, drugą na średniej a trzecią na minimalnej do chwili zawrzenia.

• Mierzono czasy poszczególnych ogrzewań.

1. Badanie procesu rozmrażania:

• Zmierzono temperaturę na powierzchni pizzy bezpośrednio po wyjęciu z zamrażarki.

• Nastawiono kuchenkę na odpowiedni program rozmrażania.

• Prowadzono jednominutowe ogrzewania, po których mierzono temperaturę na powierzchni oraz wewnątrz pizzy.

• Przeprowadzono 5 jednominutowych cykli rozmrażania.

Wyniki:

Uzyskane wyniki przedstawiono w tabelach oraz na wykresach poniżej:

W tabeli nr. 1 i na wykresie nr.1 przedstawiono wyniki uzyskane podczas badania równomierności nagrzewania mikrofali.

Tabela nr.1

Temperatura wody	Zlewka 1 (na środku talerza)	Zlewka 2 (w ½ promienia talerza)	Zlewka 3 (na krawędzi talerza)
Początkowa	24,1°C	24,1°C	24,1°C
Po 1 minucie ogrzewania	48,2°C	48,3°C	48,1°C
Po 2 minucie ogrzewania	68,4°C	63,0°C	66,1°C
Po 3 minucie ogrzewania	89,5°C	83,7°C	82,9°C
Po 4 minucie ogrzewania	99,5°C	96,0°C	94,5°C
Po 5 minucie ogrzewania	101,3°C	100,5°C	99,8°C

Wykres nr. 1

W tabeli nr. 2 oraz na wykresie nr.2 przedstawiono wyniki badania wpływu masy produktu na czas ogrzewania.

(Z powodu braku trzech jednakowych zlewek o pojemności 300 cm³, wykorzystano zlewki
o pojemności do 200 cm³.)

Tabela nr.2

Parametry	Zlewka 1	Zlewka 2	Zlewka 3
Vw (Objętość wody w zlewkach)	50 cm^3	100 cm^3	150 cm^3
Temperatura początkowa wody	24,8°C	24,6°C	24,5°C
Temperatura wody po 1 minucie ogrzewania	101,3°C	95,1°C	85,1°C
Temperatura wody po 2 minucie ogrzewania	-	-	110,1°C
Czas nagrzewania wody do momentu wrzenia	44 s	1 min 12 s	1 min 43 s

Wykres nr.2

W tabeli nr.3 przedstawiono wyniki uzyskane podczas badania wpływu kształtu naczynia na czas nagrzewania.

Tabela nr.3

Naczynie	Zlewka smukła	Erlenmajerka	Kolba płaskodenna	Krystalizator
Vw (objętość wody)	150cm^3	150cm^3	150cm^3	150cm^3
Temperatura początkowa wody	24,4°C	24,4°C	24,4°C	24,4°C
Temperatura wrzenia wody	100,4°C	101,1°C	100,9°C	100,9°C
Czas nagrzewania wody do momentu wrzenia	1 min 43 s	1 min 38 s	1 min 40 s	1 min 40 s

Czasy doprowadzenia równych objętości wody do wrzenia są do siebie bardzo zbliżone, niezależnie od kształtu naczynia.

W tabeli nr.4 przedstawiono wyniki badania sprawności cieplnej kuchenki mikrofalowej.

Tabela nr.4

Parametry	Zlewka 1	Zlewka 2
Vw (objętość wody)	100cm^3	200cm^3
Temperatura początkowa zlewki	24,4°C	24,3°C
Temperatura początkowa wody	24,9°C	24,6°C
Temperatura zlewki po 3 minutach nagrzewania	66,6°C	67,4°C
Temperatura wody po 3 minutach nagrzewania	103,5°C	101,4°C
Masa pustej zlewki	0,0858 kg	0,1096 kg
Masa zlewki z wodą	0,1858 kg	0,3096 kg
Stan licznika przed rozpoczęciem pomiaru	0 kWh	0 kWh
Stan licznika po rozpoczęciu pomiarów	0,073 kWh	0,073 kWh
A – ilość energii elektrycznej pobranej z sieci przez kuchenkę	0,073 kWh	0,073 kWh
Q – ciepło wykorzystane do nagrzania wody	147,38 kJ	293,26 kJ
Qz – ciepło wykorzystane do nagrzania zlewki	21,65 kJ	27,73 kJ
Sprawność cieplna kuchenki mikrofalowej	0,64	1,22

Tabela nr. 5 przedstawia wyniki badania wpływu poziomu mocy kuchenki na czas ogrzewania:

Tabela nr. 5

Parametry	Zlewka 1	Zlewka 2	Zlewka 3
V- objętość wody [cm^3]	150	150	150
Temperatura początkowa [°C]	25	25	25
Moc [W]	900	450	100
Czas nagrzewania do momentu wrzenia	1 min 52 s	4min 10 s	Brak wrzenia po 15 minutach

Tabela nr. 6 oraz wykres nr.3 przedstawiają wyniki badania procesu rozmrażania

Tabela nr.6

Temperatura próbki	Temperatura na powierzchni próbki	Temperatura wewnątrz próbki
Początkowa	-7,5°C	- 9,2 °C
Po 1 minucie ogrzewania	-5,8 °C	-7,8 °C
Po 2 minutach ogrzewania	-2,0 °C	-1,6 °C
Po 3 minutach ogrzewania	-3,3 °C	1,0 °C
Po 4 minutach ogrzewania	-1,1 °C	5,0 °C
Po 5 minutach ogrzewania	0 °C	25,0 °C

Wykres nr.3

Wnioski:

• Mikrofale nagrzewają produkt równomiernie, niezależnie od strefy nagrzewania w komorze kuchenki mikrofalowej, a także niezależnie od kształtu naczynia.

• Masa produktu wpływa na czas nagrzewania. Im mniejsza masa tym szybsze nagrzewanie.

• Sprawność cieplna kuchenki mikrofalowej wzrasta wraz ze wzrostem masy produktu.

• Poziom mocy kuchenki mikrofalowej wpływa na czas ogrzania produktu: im wyższy poziom mocy tym krótszy czas ogrzewania.

• Proces rozmrażania jest długotrwały i stopniowy. Nagrzewanie powoduje systematyczny wzrost temperatury wewnątrz produktu, który jest szybszy od stopniowego nagrzewania jego zewnętrznej powierzchni.