INSTALATII DE INCALZIRE CU MICROUNDE

5.1 Elemente caracteristice procesării cu microunde

În ultima jumătate de secol, încălzirea cu microunde a obţinut rezultate remarcabile în

industrie, medicină, ştiinţă şi uz casnic. Printre aplicaţiile încălzirii cu microunde se numără:

uscarea lemnului şi a hârtiei,

uscarea, respectiv granularea sub vid a produselor farmaceutice,

polimerizarea răşinilor utilizate în fabricarea materialelor plastice,

vulcanizarea cauciucului,

sudarea materialelor plastice,

uscarea fibrelor,

uscarea formelor de turnătorie,

uscarea legumelor,

pasteurizarea, sterilizarea produselor,

prepararea hranei, etc.

Încălzirea cu microunde prezintă următoarele avantaje:

- randamentul energetic global este mai bun decât în cazul încălzirii cu combustibil;

- condiţii de lucru mult mai bune comparativ cu mijloacele de încălzire clasice (nu se

produce fum, praf şi nici încălzire externă);

- reducerea timpului de lucru;

- încălzirea are loc în volum;

- calitatea produselor este îmbunătăţită.

Benzile de frecvenţe alocate de Uniunea Internaţională pentru Telecomunicaţii pentru

aplicaţiile industriale, ştiinţifice şi medicale (uzual abreviat ISM) ale încălzirii cu microunde

sunt indicate în tabelul următor.

Tabelul 5.1 – Benzile de frecvenţe ISMBanda Frecvenţa centrală

902  928 MHz 915 MHz2400  2500 MHz 2450 MHz5275  5875 MHz 5800 MHz24  24,25 GHz 24,125 GHz61  61,5 GHz 61,25 GHz122  123 GHz 122,5 GHz244  246 GHz 245 GHz

1

Banda de 915 MHz este folosită numai pe continentul american. Pentru a evita

interferenţele cu echipamentele de comunicaţii, frecvenţa trebuie aleasă dintre cele standard

alocate pentru încălzirea cu microunde. Ecranarea trebuie să fie mult mai bună dacă se

folosesc alte frecvenţe decât cele autorizate într-o anumită zonă. De exemplu, banda 890–960

MHz este folosită pentru telefonie mobilă (GSM) în Europa şi nu pentru încălzire. În acest caz

instalaţiile de încălzire pe 900 MHz trebuie să fie ecranate contra interferenţelor, în timp ce

cele care funcţionează la 2450 MHz trebuie ecranate doar pentru a nu avea emisii periculoase

din punct de vedere fiziologic, nivelul permis de emisie fiind mult mai mare.

Datorită costurilor ridicate şi a puterilor mai reduse ale echipamentelor la 5800 MHz şi

22125 MHz, frecvenţa de 2450 MHz este cea mai folosită.

Fig. 5.1 Spectrul electromagnetic.

Lungimile de undă ale microundelor folosite la încălzite sunt comparabile şi în general

proporţionale cu dimensiunile materialului de procesat (fig. 5.1).

Efectul de încălzire este datorat câmpului electromagnetic. Un câmp electromagnetic

de microunde determină încalzirea uniformă, în volum, a anumitor materiale nemetalice.

2

Materialele de natură metalică, care au proprietatea de a reflecta microundele, nu pot fi

încălzite cu ajutorul câmpului de microunde.

Încălzirea materialelor nemetalice este un fenomen datorat parţial proceselor specifice

încălzirii materialelor dielectrice, şi anume:

- pierderile prin conducţie (în cazul tuturor dielectricilor);

- pierderi prin histerezis dielectric şi polarizare electrică în câmpuri electrice de

înaltă frecvenţă (mult mai importante în cazul dielectricilor polari).

La frecvenţele ridicate ale câmpului de microunde, nu orice moleculă dipolară de

dielectric poate urmări variaţiile atât de rapide ale câmpului electromagnetic astfel încât,

mişcarea acestora se face cu frecare, având ca urmare dezvoltarea căldurii în materialul

dielectric.

S-a constatat experimental ca moleculele dipolare de apă prezintă cele mai importante

pierderi prin histerezis dielectric la frecvenţele specifice microundelor. În consecinţă, toate

materialele ce conţin molecule de apă (de exemplu alimentele de origine vegetală sau animală

care au până la 65% … 75% apă sub forma a milioane de molecule dipolare pe cm3) pot fi

încălzite în volum, uniform şi rapid, cu ajutorul microundelor.

Tabelul 5.2 - Comparaţie între procedeele de încălzire capacitivă şi cu microunde

Nr.crt.

Caracteristica Încălzirea dielectrică Încălzirea în microunde

1 Frecvenţa

13,56 MHz27,12 MHz40,68 MHz

915 MHz2450 MHz5800 MHz22125 MHz

2 r şi tg trebuie să fie mari pot fi de valori mici

3Fenomenul care determină încălzirea

conducţie ionică vibraţia dipolilor sub acţiunea câmpului electric

4 Adâncimea de pătrundere mare mică sau medie5 Dimensiunile produsului pot fi mari mici sau medii

6Forma geometrică a produsului

regulată oarecare

7 Investiţii

60% în sursa de alimentare40% în instalaţia de încălzire

40% sursa de alimentare60% instalaţia de încălzire sunt de 1,5...2 ori mai mari decât la instalaţiile de încălzire capacitivă

8 Durata de viaţă a sursei5000...10000 ore magnetron: 3000...6000

oreklystron: 15000 ore

9Puterea unitară maximă a sursei

900 kW pe I.F. - magnetron (2450 MHz): 10 kW- klystron (2450 MHz): 50kW

Se demonstrează că adâncimea de pătrundere a undei electromagnetice plane într-un

dielectric, , ( reprezintă distanţa de-a lungul căreia 86,5 % din puterea intrată prin suprafaţa

dielectricului se transformă în căldură) este dată de relaţia:

3

(5.1)

unde: 0 [cm] - reprezintă lungimea de undă în aer;

tg - reprezintă factorul de pierderi dielectrice;

r - reprezintă permeabilitatea electrică relativă a dielectricului.

În relaţia (5.1), tg şi r depind nu numai de proprietăţile dielectricul de încălzit, ci şi

de frecvenţa câmpului f , de temperatura şi de gradul de umiditate.

De exemplu, în cazul apei, pentru f = 1 … 10 GHz şi = 20 … 1000C, sunt valabile

relaţiile:

(5.2)

(5.3)

Întrucât pe parcursul încălzirii, parametrii materialului conţinând apă se modifică

substanţial cu temperatura, iar pierderile prin histerezis scad odată cu evaporarea apei

(încălzirea putând chiar înceta la evacuarea totală a acesteia) sarcina generatorului de

microunde poate varia în limite largi. Adâncimea de pătrundere în material depinde de

frecvenţă, iar utilizarea unei frecvenţe prea mari poate anula cel mai important avantaj al

încălzirii cu microunde: faptul că este volumetrică.

Chiar dacă dimensiunile materialului nu limitează puterea – şi deci viteza de încălzire,

caracteristicile dielectrice ale acestuia pot să introducă limitări. Dacă pierderile cresc cu

temperatura, atunci orice neomogenitate de temperatură tinde să se amplifice – fenomen

cunoscut ca ambalare termică. În acest caz, puterea trebuie limitată pentru a permite

omogenizarea temperaturii prin conducţie termică. Uneori pierderile scad cu temperatura, şi

atunci se produce o stabilizare termică ce permite aplicarea unei densităţi de putere mai mare.

Principala aplicaţie a încălzirii cu microunde constă în încălzirea, coacerea sau

decongelarea rapidă a alimentelor. Avantajele acestui procedeu (reducerea cu pâna la 75% a

timpului si pâna la 50% a energiei necesare obţinerii aceluiaşi efect termic, întreţinerea

simplificată prin auto-curăţire, etc.) sunt esenţiale în raport cu unele inconveniente (cost

relativ ridicat al echipamentului, încălzire slabă a elementelor sărace în apă, absenţa prăjirii şi

a colorării superficiale, etc.).

Adâncimea de pătrundere a microundelor este mult mai mică decât a câmpurilor de

radiofrecvenţă, fiind de ordinul 10...100 mm pentru corpurile cu conţinut ridicat de apă,

respectiv de câteva sute de mm pentru alte materiale.

În domeniul microundelor lungimea de undă este de regulă inferioară dimensiunilor

instalaţiei, astfel încât nu mai sunt aplicabile legile electromagnetismului în regim staţionar,

iar tehnologia aplicată este caracteristică fenomenelor de propagare a undelor

electromagnetice.

O instalaţie de încălzire cu microunde conţine în principal (fig. 5.2):

un generator de microunde;

un “cuptor”;

4

elementele de interconectare (ghiduri de undă).

Generatorul de microunde transformă energia electrică absorbită de la reţea în

energie de microunde.

Ghidurile de unde sunt utilizate pentru transferul eficient al energiei electromagnetice

de la antenă la incintă, unde are loc transformarea acesteia în căldură; ghidurile de undă sunt

tuburi metalice (uzual de secţiune dreptunghiulară), ale căror dimensiuni interioare depind de

frecvenţă (la 2450 MHz secţiunea este de 86x 43mm2). În aplicator energia microundelor

interacţionează cu materialul de procesat .

Materialele se clasifică funcţie de comportarea acestora în câmpuri de frecvenţe

ultraînalte (microunde) astfel:

(I) metale - a căror suprafaţă se comportă că un reflector de microunde.

Pierderile de energie asociate procesului de reflexie sunt mai mici la metale cu bună

conductivitate electrică şi nemagnetice (deci, aluminiul, alama, oţelurile inoxidabile satisfac

suficient de bine criteriile pentru construcţia containerelor de microunde).

(II) dielectrici cu pierderi mici, prin care undele trec fără o atenuare semnificativă

(pierderi de energie reduse).

5

Fig. 5.2 Schema instalaţiilor cu microunde:(a) material procesat în regim static; (b) material procesat în regim dinamic.

1 - generatorul de microunde; 2 - ghidurile de unde; 3 – antena; 4 – aplicatorul; 5 – materialul procesat.

4

1 5

2

43

(b)

1

5

23

(a)

Ex: polietilena, politetrafluoretilena, sticla (la temperaturi nu prea mari) sunt transparente la

microunde.

(III) dielectrici cu valori mari ale factorului de pierderi în care o bună parte a

energiei incidente se transformă în căldură.

Deoarece corpul uman absoarbe microunde (face parte din categoria III) este necesar

ca nivelul de scăpări al radiaţiilor în instalaţiile cu microunde să fie redus (sub 1mW/cm 2 la 1

m de instalaţie).

Cuptoarele cu microunde (de uz casnic sau industrial) sunt prevăzute prin construcţie

cu dispozitive de protecţie pentru evitarea efectelor nocive ale microundelor asupra ţesutului

uman (de exemplu: blindajul exterior al cavităţii rezonante şi garniturile uşii, dispozitivul de

blocare a magnetronului la deschiderea uşii).

6