สำนักงานกลางศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ตู้ ปณ.70 มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50202 โทรศัพท์ (053) 942650-3 โทรสาร (053) 222774
 หน้าหลัก งานวิจัย ข่าววิชาการทั่วไป ตรวจสอบงานวิจัย เว็บลิ้งค์  แบบฟอร์ม อีเมลล์  ฟิสิกส์เพื่อผู้ประกอบการ เอกสารเผยแพร่  Q&A  E-Office ข่าวรับสมัครงาน
 
ข่าววิชาการจากเครือข่าย
การอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ

20 เมษายน 2552

     

1. คลื่นไมโครเวฟและการให้ความร้อนกับวัสดุ

 

คลื่นไมโครเวฟถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้สำหรับเรดาร์ในสมัยสงครามโลกครั้งที่สอง [1] เนื่องจากจะสะท้อนได้ดีที่ผิวของโลหะ ประกอบกับคลื่นไมโครเวฟเคลื่อนที่ในอากาศด้วยความเร็วเท่ากับแสง ดังนั้นเรดาร์จึงเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูงมากในการตรวจจับเครื่องบินของฝ่ายศัตรู  ปัจจุบันนี้พวกเราจะคุ้นเคยกับคลื่นไมโครเวฟค่อนข้างดี  เพราะมีเตาไมโครเวฟใช้กันอยู่ในแทบจะทุกครัวเรือน ( หลักการทำงานของเตาไมโครเวฟสามารถหาอ่านได้จากเว็บไซต์ดังต่อไปนี้http://www.explainthatstuff.com/microwaveovens.html และhttp://www.sciam.com/slideshow.cfm?id=how-the-microwave-works&photo_id=4E367922-B6EB-ACD7-DB3B8BF9830B38E9) ไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งซึ่งมีความยาวคลื่นระหว่าง 1 มิลลิเมตรถึง 1 เมตร คืออยู่ระหว่างคลื่นวิทยุ และคลื่นอินฟราเรด  ในปัจจุบันได้มีการนำเทคโนโลยีไมโครเวฟมาใช้ประโยชน์อย่างอื่นอีกหลากหลายเช่น การอบแห้ง การฆ่าเชื้อโรค การvulcanization การเร่งปฏิกิริยาเคมี การกำจัดสารพิษ และการก่อกำเนิดพลาสมาเป็นต้น [2,3,4]

 

 สำหรับการนำคลื่นไมโครเวฟไปใช้ในการให้ความร้อนกับอาหารเพื่อการทำให้สุก หรือการทำแห้งนั้น สามารถทำได้เนื่องจากเมื่อคลื่นไมโครเวฟเคลื่อนที่เข้าไปในวัสดุต่างๆที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีความเป็นขั้ว หรือโมเลกุลที่ประจุบวกและประจุลบมีการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ โมเลกุลเหล่านั้นจะมีการเคลื่อนที่เนื่องจากได้รับแรงกระทำแบบสลับไปมาอย่างรวดเร็วจากสนามไฟฟ้าของคลื่นไมโครเวฟ ซึ่งความถี่ของคลื่นไมโครเวฟสำหรับใช้ในกระบวนการให้ความร้อนอาหารจะเท่ากับ 2.45 GHz ดังนั้นสนามไฟฟ้าของคลื่นไมโครเวฟจะมีการสลับขั้ว 2,450 ล้านครั้งต่อวินาที เมื่อโมเลกุลของน้ำซึ่งเป็นโมเลกุลมีขั้ว ( โมเลกุล H2O มีค่าโมเมนต์ขั้วคู่เท่ากับ 1.1x 10-29 C.m ) ที่มีจำนวนมากที่สุดในอาหารอยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าของคลื่นไมโครเวฟ มันจะพยายามหมุนตามการสลับขั้วของสนามไฟฟ้า ก็จะทำให้เกิดการชนกันระหว่างโมเลกุล ซึ่งจะทำให้เกิดเป็นความร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว  กระบวนการที่ทำให้เกิดความร้อนขึ้นภายในวัสดุเมื่อได้รับคลื่นไมโครเวฟเรียกว่า Dielectric heating [2]

 

     ในกระบวนการอบแห้งอาหารนั้น จะใช้คุณสมบัติของคลื่นไมโครเวฟที่จะตอบสนองต่อโมเลกุลชนิดต่างๆไม่เท่ากัน โดยจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเชิงไดอิเล็คตริคของมัน[1]   คลื่นไมโครเวฟจะถูกดูดกลืนโดยโมเลกุลของน้ำได้ดีที่สุดเนื่องจากความถี่ของการหมุนของโมเลกุลของน้ำที่มีความเป็นเชิงขั้ว(dipole)สูงกับความถี่ของคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ 2.45 GHzเกิดการกำทอน(resonance)กัน ทำให้น้ำสามารถดูดซับพลังงานของคลื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดโดยพลังงานของคลื่นไมโครเวฟมีผลกระทบต่อวัสดุอื่นๆน้อยมาก น้ำจะถูกทำให้ร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วจนระเหยออกไปหมด  ดังนั้นพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจึงใช้ในการระเหยความชื้นในอาหารโดยจะไม่ทำให้โครงสร้างและรสชาติของอาหารเกิดการเสียหาย ถ้าหากมีการควบคุมที่เหมาะสม

 

   

 

                      

                       รูปที่ 1 (ก) ภาพถ่ายของแมกนีตรอน และ(ข)แผนภาพโครงสร้างภายในของแมกนีตรอน

 

 

 2. แมกนีตรอน

 

     ส่วนประกอบสำคัญของเตาไมโครเวฟ คืออุปกรณ์ที่เรียกว่าแมกนีตรอน(Magnetron) ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งจะทำหน้าที่ผลิตคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ 2.45 GHz  การทำให้แมกนีตรอนทำงานได้นั้นจะต้องมีการจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันต่ำประมาณ 3-4 โวลต์ ที่มีค่ากระแส 10 แอมแปร์ที่ไส้หลอด ซึ่งจะทำให้ไส้หลอดร้อนและปล่อยอิเล็กตรอนออกมา และเมื่อจ่ายไฟฟ้าแรงดันสูงมากกว่า 4,000 โวลต์ไปที่ขั้วใดขั้วหนึ่งของไส้หลอดซึ่งทำหน้าที่เป็นคาโทดเทียบกับขั้วอาโนด ก็จะทำให้อิเล็กตรอนถูกบังคับให้เคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถาวร ซึ่งจะทำให้แมกนีตรอนสามารถปล่อยคลื่นไมโครเวฟออกมาได้ โดยที่ความถี่ของคลื่นไมโครเวฟจะถูกกำหนดด้วยโครงสร้างภายในช่องสุญญากาศระหว่างขั้วคาโทดกับขั้วอาโนดให้เท่ากับ 2.45 GHz

 

 

                  
 
                                                     ()                                                                                                                                ()

 

               รูปที่2 () แผนภาพรวม และ () รูปถ่ายของระบบอบปลาแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ ซึ่งประกอบด้วยแมกนีตรอน ระบบจ่ายกำลังและควบ คุมความต่างศักย์สูง ท่อนำคลื่น (waveguide) และ (ค) ห้องคลื่น(cavity)

 

3. การพัฒนาเครื่องอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟของมหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์

 

        ในการศึกษาเรื่องฟิสิกส์ของพลาสมา ทำให้คณะผู้วิจัยต้องเข้าไปคลุกคลีกับคลื่นไมโครเวฟเพราะจำเป็นต้องเอามาใช้เป็นแหล่งพลังงานในการทำให้เกิดสภาพพลาสมา จึงมีความคิดที่จะนำคลื่นไมโครเวฟมาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ อย่างอื่นด้วย [5]

โดยสังเขปนั้นเครื่องอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟจะมีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งมีขนาดของห้องคลื่นที่จะสามารถกระตุ้นให้เกิดโหมดต่างๆ(multi-modes)ของคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ 2.45 GHz   โดยผนังของห้องคลื่นจะทำด้วยตาข่ายลวดโลหะสเตนเลส  ซึ่งมีช่องเล็กพอที่จะสามารถกั้นคลื่นไมโครเวฟไม่ให้รั่วออกมา แต่จะสามารถระบายความชื้นออกไปได้ คณะผู้วิจัยได้สร้างระบบดังกล่าวขึ้นจริงในหลายลักษณะด้วยกัน เพื่อใช้สนับสนุนชุมชนกสิกรรมและอุตสาหกรรม ดังจะเห็นได้จากรูปภาพต่อไปนี้

 

                 
 

              เครื่องอบปลาแห้งสำหรับชุมชน

              ที่ได้สร้างให้เครือข่ายสินค้า OTOP อ.ปากพนัง จ.นครศรีธรรมราช

 

         
 
         

 

             เครื่องอบพริกสำหรับชุมชน

             ที่ได้สร้างให้กลุ่มแม่บ้านขอนหาด อ.ชะอวด จ.นครศรีธรรมราช

         

             เครื่องต้นแบบสำหรับการอบแห้งอาหารสัตว์อัดเม็ดสำหรับอุตสาหกรรม

             ที่ได้สร้างให้บริษัทไทรอัมฟ์เอ็นจิเนียริ่ง จ.ราชบุรี

       

 

             เครื่องต้นแบบสำหรับการศึกษาการอบแห้งไม้ยางพารา

             ที่ได้สร้างให้ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์

             มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ วิทยาเขตหาดใหญ่

 

       

             เครื่องอบหนังปลาในระดับอุตสาหกรรม

             ที่ได้สร้างให้บริษัท เอ็นเค ซีฟรีซ จำกัด อ.หาดใหญ่ จ.สงขลา

       

                  เครื่องต้นแบบสำหรับการอบรังนกแอ่นสำหรับการส่งออก

             ที่ได้สร้างให้บริษัทขวัญมุย จำกัด อ.ปากพนัง จ.นครศรีธรรมราช (ได้ยื่นจดสิทธิบัตรเลขที่ 080100322)

         

 

เอกสารอ้างอิง

1.        L. Reynolds, The History of the Microwave Oven, Microwave World, Vol. 10, 1989.

2.        R.V. Decareau, Microwave in the Food Processing Industry, Academic Press Inc. 1985.

3.        G. Roussy and J.A. Pearce, Foundations and Industrial Applications of Microwaves and Radio Frequency Fields, John Wiley & Sons, 1995.

4.        John M. Osepchuk, A History of Microwave Heating Application, IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, Vol. MTT-32,No.9, September 1984.

5.        ยุทธพงศ์  เพียรโรจน์, พันธ์ศักดิ์  เกิดทองมี  และ หมุดตอเล็บ  หนิสอ,  การพัฒนาระบบการให้ความร้อนเพื่อการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ, http://e-nett.sut.ac.th/download/AE/AE12.pdf

 

ข้อมูลจาก :

ผศ. ดร. หมุดตอเล็บ หนิสอ

หน่วยวิจัยพลาสมาประยุกต์เพื่อการกสิกรรม สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์

222 ต.ไทยบุรี อ.ท่าศาลา จ.นครศรีธรรมราช 80160

โทรศัพท์: 075-673229, โทรสาร: 075-672004

Email: nmudtorl@wu.ac.th ,mnisoa@yahoo.com

สำนักงานกลางศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์
ตู้ ปณ.70 มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50202
โทรศัพท์ (053) 942650-3 โทรสาร (053) 222774