8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

1/12

CUPTORUL CU MICROUNDE

Cuprins

I. Principii generale asupra dispozitivelor cumicrounde

1. Consideratii teoretice privind incalzirea cumicrounde

2. Pierderile in materialele dielectrice3. Incalzirea volumetrica4. Adancimea de patrundere

II. Generatoare de microunde1. Modul de propagare

2. Functionarea magnetronului plan3. Functionarea magnetronului cu cavitati

multipleI. Proiectarea generatorului cu microunde

1. Proiectarea circuitului de iesire2. Proiectarea circuitului magnetic

II. Concluzii si schema electrica a instalatiei

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

2/12

I. Principii generale asupra dispozitivelor cumicrounde

Energia microundelor a fost folosita in proceseleindustriale de foarte multi ani.Folosirea acestora inlocul surselor convetionale de caldura s-a produsdatorita mai multor avantaje cum ar fi :

incalzirea rapida in profunzime

economisire de energie si timp si imbunatatireacalitatii

In primii ani de studii a incalzirii prin microunde acesteavantaje au fost greu de justificat in raport cu pretulscazut al incalzirii cu ajutorul derivatiilor petrolului.

Toate acestea impreuna cu reticenta multorindustrii de a schimba sistemele conventionaleexistente dar adesea eficiente si depasite cu sistemebazate pe microunde a dus la o crestere lenta darfoarte bine documentata a acestei tehnologii.

Cele mai mari avantaje ale energiei microundelorasupra tehnologiei convetionale au fost bine precizatede catre Parkin (1979). o mai eficienta uscare vis-a-vis de perioada de

uscare reducand costurile de productie sistemul este mult mai compact decat sistemul

conventional

energia este transferata intr-un mod mult mai curat(fara poluare)

se realizeaza afanarea materialului absortia energiei in mod selectiv de catre

constituentii cu pierderi energia se disipa repede in volumul materialului

2

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

3/12

evita uscarea excesiva

un cost relativ scazut al intretinerii

II. Generatoare de microundeMagnetronul este un oscilator de putere in

microunde. El lucreaza in regim de purtatoare sauimpuls. In radiatie continua poate debita puteri demicrounde de ordinul 20KW cu randament de 80%,iarin regim de impuls puteri de megawati, intrucat putereade varf Pv si puterea medie Pm, corespunderaportului intre perioada de repetitie T si durataimpulsului .Banda de frecvente de lucru este ingustadeoarece magnetronul utilizeaza cavitati rezonanteincorporate intr-un anod metalic masiv de obicei dinCu. Intre anod si catod se aplica o tensiune continuade ordinul miilor de volti.

Datorita cavitatilor rezonante prevazute in anod,campul electromagnetic de microunde are la rezonanta

intensitate mare,astfel incat in obtinerea puterii demicrounde prin franarea electronilor, contribuie atatinteractiunea indelungata camp electric electron, cat siintensitatea mare a campului electric. Interactiunea areloc in timp ce electronii se deplaseaza in jurulcatodului, in spatiul anod-catod.

III.

Proiectarea generatorului de microundeMagnetronul este un element esential ingenerarea energiei de microunde , el transformindfrecventa retelei de 50 Hz in inalta frecventa2,451GHz.Este un tub vidat de geometrie cilindricaavind 2 electrizi anod si catod.

3

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

4/12

Anodul este realizat din cupru si consta din mai multecavitati care formeaza circuite rezonante. Una dinaceste cavitati contine o antena care permite

extragerea energiei si transmiterea ei in exterior.Catodul are in general forma elicoidala este realizat dinwolfram se incalzeste pana la temperatura de 2000 [K]datorita aplicarii unei tensiuni cuprinse intre 5-10 V siin plus catodul este plasat la un potential negativ detensiune intre 6-10kV.Aceste magnetroane pot functiona in regim continuusau in impulsuri dand puteri de ordinul zecilor de kw cu

un randament de 70%.Functionarea magnetronului se bazeaza pe transferulde energie pe care il realizeaza electronii in spatiul deinteractiune.Electronii absorb energie de la sursa detensiune anodica si o cedeaza prin intermediulcampului electric de inalta frecventa cavitatilorrezonante.

Sub actiunea campului electric creat de tensiuneaanodica si a campului magnetic creat de magnet sauelectromagnet electronii se pun in miscare descriindtraiectoria sub forma unor bucle succesive denumitecicloide.

Aceste ciclode sunt caracterizate printr-o viteza detranslatie ,si o viteza de rotatie.Cand viteza de transfer si cea de rotatie sunt egaleinelele sunt cicloide.

4

0

0

0

B

EV =

0RV=

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

5/12

Electronii care se deplaseaza in sensul liniilor de campsunt franati si cedeaza o parte din energia lor cinetica.Electronii care se misca in sens contrar liniilor de cimp

sunt accelerati si absorb energia de la campuri deinalta frecventa. Pentru ca energia cedata de electronisa fie mai mare decat energia primita si magnetronulsa functioneze cu un randament bun trebuie ca pe oparte sa se mareasca numarul de electroni franati iarpe de alta parte sa se micsoreze numarul de electroniaccelerati. In afara de aceasta este necesar ca timpulnecesar in care electronii utili adica cei franati se

deplaseaza de la o fanta la alta sa corespunda cu jumatate din perioada oscilatiilor de inalta frecventa,pentru ca astfel sa se gaseasca in dreptul fiecareifante tot un camp franat . Elecronii franati descriubucle mai largi ramanand mai mult timp in spatiul deinteractiune si trecand prin fata mai multor fante eicedeaza o cantitate de energie mai mare campului.

Influenta hotaratoare asupra performantelor siasupra fiabilitatii magnetronului o are catodul datoritacaracteristicii sale de emisie electronica emisie care semasoara in [A/cm2]. In cazul magnetronului eliberareadin metal a electronilor se produce prin emisietermoelectronica pe seama energiei termice furnizatade catodul incalzit fenomen puternic dependent detemperatura si de materialul catodului.In magnetron doar o parte a caldurii catodului seproduce datorita curentului de incalzire,cealalta partedestul de insemata provine de la electronii de fazanefavorabila a caror energie cinetica se transforma incaldura prin bombardarea regresiva ciocnind neelastic

5

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

6/12

catodul. La magnetroanele de tip radar adica acelemagnetroane care functioneaza in impulsuri dupa oscurta perioada de incalzire circuitul de filament este

dereglat si incalzirea este asigurata in continuare debombardamentul electronilor de faza nefavorabilaPentru realizarea catozilor se utilizeaza sarma dewolfram toriat, timp de lucru pentru acesta este de1900-1950[K]. Pentru wolfram toriat la temperatura de1900[K] densitatea curentului de saturatie este de

js=10[A/cm2]. Temperatura de topire a Wolframului este

3370[0C]. Cresterea temperaturii de lucru asigura o

crestere rapida a emisiei dar cauzeaza in mod nedoritreducerea accentuata a duratei de viata acatodului.Alegand temperaturi de lucru mai joasescaderea emisiei poate fi compensata prin marireasuprafetei de emisie deci prin marirea dimensiunilorcatodului.Catozii realizati din Wolfram toriat au oemisivitate de aproximativ 1000de ori mai mare decat

cei realizati Wolfram pur la aceeasi temperatura defunctionare.Activarea catozilor din Wolfram toriat seface in timpul vitarii magnetronului dupa care se tintimp de ore la o temperatura de 210[K] timp in careemisia electronica creste la valoarea nominala. La ocrestere a temperaturi in intervalul 2400-2500[K]corespunde o crestere de 2,6 ori a emisiei electronicein timp ce viteza de evaporare este de 5,8 mai mare.Pentru dimensionarea catozilor cu incalzire directa serecomanda pentru alegerea emisiei electronice 90%din valoarea curentului de saturatie.

6

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

7/12

Pentru determinarea dimensiunilor radiale alamelelor se pleaca de la considerentul ca doua lamelevecine trebuie sa formeze o cavitate rezonanta

asimilata din punct de vedere al repartitiei campuluielectromagnetic cu o linie bifilara cu dielectric vidscurtcircuitata la un capat si avand o lungime electrica0/4 numita linie rezonanta un sfert de unda lungimeareala a cavitatii corespunzatoare rezonantei numita silungime geometrica este mult mai mica decat sfertulde unda.

IV. Proiectarea circuitelor de iesireLa frecventa de microunde energia

electromagnetica este dirijata dintr-un loc in altul cuajutorul cablului cu axial sau ghidurilor de unda.Circuitul de iesire are rolul de a transfera energia defoarte inalta frecventa generata de tub circuitului desarcina.

De exemplu pentru frecventa de 2,45 GHz domeniilepentru ghidul de unda din aluminiu sunt: a = 9,525 [cm]= 95,25 10-3mm,b = 5,461 [cm] = 54,61 10-3mm.In punctul de utilizare energia este furnizata intr-oincinta metalica cum ar fi cea a unui cuptor. Indiferentde solutia aleasa iesirea trebuie sa asiguretransformarea impedantei de sarcina la nivelul dorit ininteriorul tubului;de asemenea trebuie sa fie etans lavid si sa transmita puteri generate de magnetron .Constructiv circuitul de iesire consta dintr-un conductortip banda care la capatul interior are o bucla sau bandade cuplaj cu rezonatorul iar la capatul de iesire seconecteaza la capacelul metalic de etansare si la un

7

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

8/12

izolator cilindric dintr-un material transparent lamicrounde care reprezinta asa numita fereastra.Pentru a dimensiona circuitul de iesire se porneste de

la lungimea de unda a oscilatiilor emise de magnetronsi de la putera acestuia.

Proiectarea circuitului magneticLa magnetroanele de putere mica campul

magnetic este produs cu ajutorul magnetilorpermanenti, iar reglajul curentului anodic se face prinvariatia tensiunii anodice.

La magnetroanele de putere mare cimpul magnetic serealizeaza prin utilizarea electromagnetilor, iar reglareacurentului anodic se asigura prin variatia curentuluielectromagnetului.Circuitul magnetic trebuie sa se caracterizeze pringreutate redusa printr-o stabilitate a valorii inductieimagnetice in interiorul magnetronului si printr-o

configuratie corespunzatoare asigurarii unei uneifunctionari eficiente.Utilizare electromagnetilor se impune si in etapa deincercare a magnetroanelor noi pentru determinareavalorilor optime ale tensiunii anodice si ale inductieimagnetice.Tipurile noi de magnetroane au o constructie maisimpla a circuitului magnetic la aceste tipuri poliimagnetici sunt reprezentati de piesele de inchidere aleblocului anodic .Pentru a asigura stabilitatea curentului magnetic intimpul functionarii magnetronului se actioneaza asupra

8

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

9/12

tensiunii anodice sau asupra curentului din infasurareaelectromagnetului.In mod normal magnetronul trebuie sa fie prevazut cu

cel putin unul din sistemele de protectie urmatoare: protectie termica care trebuie sa asigure

intreruperea functionarii magnetronului candtemperatura acestuia depaseste valoarea prescrisa;aceasta se realizeaza prin utilizarea de limitatoarede temperatura care controleaza temperaturablocului anodic sau temperatura apei de racire.

Protectie la depasirea valorii nominale a curentului

anodic;aceasta se asigura prin utilizarea unui releumaximal de curent montat in circuitul anodic almagnetronului.Cresterea valorii curentului anodicpoate fi cauzata fie de modificarea brusca aimpedantei de sarcina fie de reducerea vidului amagnetronului.

Protectie impotriva energiei reflectate;aceasta se

realizeaza printrun sistem de detectare a puteriireflectate sistem care actioneaza fie pentrumicsorarea puterii de iesire fie pentru deconectareaalimentarii magnetronului.

Protectie impotriva functionarii fara sarcina incavitatea rezonanta;aceasta se realizeaza cuajutorul unui sistem de detectare a prezentei sarciniisistem care actioneaza pentru deconectareaalimentarii magnetronului.

9

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

10/12

Concluzii Procesele electromagnetice care au loc in

magnetron in special in spatiul de interactiune catod-

anod depind de parametrii geometrici ai bloculuicatodic si anodic. Coaxialitatea catodului cu cavitatea cilindrica

interioara a anodului reprezinta o necesitate pentrufunctionarea corecta a magnetronului

Itinerariul de proiectare si dimensionare aelementelor principale ale magnetronului poate firedat si sub forma de algoritm putandu-se adopta la

proiectarea asistata pe calculator.

10

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

11/12

Schema electrica

11

8/6/2019 Cuptorul Cu Microunde Serban

12/12

Bibiliografie:

1. D. Miron, M .Tuca Microunde in procese

industriale Editura ICPE - Bucuresti 19952. G. Rulea tehnica microundelor

Editura didactica - Bucuresti 19913. G. Rulea bazele teoretice si experimenteale tehnicii microundelor

Editura stintifica Bucuresti 19894. D.D. Sandu dispozitive electronice pentru

microundeEditura stintifica Bucuresti 1982

5. N. Satirescu radiotehnica frecvente inalteEditura militara Bucuresti - 1976

6. Theodore S Saad microwaves engineershand book

7.Revista de cultura generala Arborele lumii Nr.40

12