8
NAGRZEWANIE MIKROFALOWE

8.1. Zasady nagrzewania mikrofalowego

Nagrzewanie mikrofalowe jest to nagrzewanie elektryczne związane z efektem

polaryzacji w ośrodkach dielektrycznych i półprzewodnikowych, do których energia
elektromagnetyczna wielkiej częstotliwości doprowadzana jest falowodem.

Nagrzewanie mikrofalowe stanowi rozwinięcie nagrzewania pojemnościowego, jednak

różnice między tymi metodami są na tyle istotne, że są one traktowane rozłącznie. Istota tych
różnic jest zawarta już w definicjach obu metod. Otóż w przypadku nagrzewania
mikrofalowego za efekty cieplne jest odpowiedzialne wyłącznie zjawisko polaryzacji i
odmienny jest sposób doprowadzania energii w.cz. Ten drugi czynnik w połączeniu ze
znacznie większą częstotliwością sprawia, że konstrukcja urządzeń pojemnościowych i
mikrofalowych różni się zasadniczo.

Pierwsze zastosowanie mikrofal do celów grzejnych należy przypisać Amerykaninowi

Pery Spencerowi, który zbudował piec mikrofalowy już w 1945 r., czyli w 5 lat po
wynalezieniu magnetronu wielownękowego [394].

Z zakresu częstotliwości mikrofalowych (0,3 ÷ 300 GHz) wydzielono siedem pasm dla

mikrofalowych urządzeń grzejnych (tabl. 8.1).

Najbardziej rozpowszechnione są urządzenia pracujące w paśmie II, a to głównie z

uwagi na niskie koszty generatorów pracujących z tą częstotliwością, które są produkowane w
bardzo dużych seriach. Prace nad wykorzystaniem najwyższych częstotliwości, zwłaszcza w
technologiach wytwarzania spieków, są jeszcze w stadium badań.

Wyrażenie na jednostkową moc grzejną (W/m

3

) wytwarzaną we wsadzie nagrzewanym

mikrofalowe

2

r

11

V

E

δ

tg

ε

f

10

56

.

5

p

′

⋅

=

−

(8.1)

jest identyczne z wyrażeniem jak w metodzie pojemnościowej (zależność (7.21)). Ponieważ
moc jednostkowa p

V

jest wprost proporcjonalna do częstotliwości, jest oczywiste, że

206

8.1. Zasady nagrzewania mikrofalowego
____________________________________________________________________________
jedną z dróg jej zwiększania jest podwyższanie częstotliwości. Innym czynnikiem, dość często
przemawiającym za wyborem wyższych częstotliwości jest duża wartość iloczynu

(współczynnik pochłaniania) w obszarze częstotliwości mikrofalowych. Są

materiały, które w zakresie częstotliwości pojemnościowych mają współczynniki k zbyt małe,
by ich nagrzewanie tą metodą było racjonalne. Stąd też konieczność dopasowania
współczynnika pochłaniania do częstotliwości.

k

δ

tg

ε

r

=

′

Tablica 8.1. Pasma częstotliwości wydzielone dla
mikrofalowych urządzeń grzejnych

Częstotliwość

Długość fali

w próżni

Pasmo

MHz cm

I

915

±13

32.79

II

2450

±50

12.50

III

5850

±75

5.17

IV

24125

±125

1.24

V

61250

±250

0.49

VI

122500

±500

0.24

VII

245000

±1000

0.12

Bywa, że współczynnik pochłaniania wykazuje silną i nie zawsze monotoniczną

zależność od częstotliwości. Jest on ponadto funkcją temperatury (rys. 8.1). W przypadku
wsadów zawierających wodę jest to okoliczność sprzyjająca wyrównywaniu w nich tem-
peratury i wilgotności, ponieważ miejsca o większej zawartości wody, a więc i większym
współczynniku pochłaniania, nagrzewają się intensywniej, szybciej odparowuje z nich wilgoć,
a następnie zmniejsza się w nich generowana jednostkowa moc grzejna

207

k

Rys. 8.1. Zależność współczynnika pochłaniania

δ

tg

ε

r

′

=

od temperatury, dla wody przy

częstotliwości 3 GHz, wg

[596]

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

W zasadzie mikrofalowo można nagrzewać wsady o współczynniku k > 0,01. Przy

mniejszych jego wartościach pozostaje modyfikacja właściwości wsadu poprzez dodanie
substancji zwiększających wartość współczynnika k, o ile nie zmieni to jakości produktu
końcowego. Innym sposobem jest koncentracja pola mikrofalowego we wsadzie (wzrasta E),
co wymaga odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych. Wartości współczynnika k dla
niektórych materiałów przy częstotliwości 3 GHz zawiera tabl. 8.2.

Tablica 8.2. Właściwości dielektryczne niektórych materiałów [492] oraz głębokość wnikania pola w

półprzestrzeń przy 3 GHz

t

t

ε

δ

tg

δ

tg

ε

k

r

′

=

m

δ

Materiał

°C

-

-

- cm

Roztwór soli fizjologicznej

(0,15 molowy) 25

77

0,289

21,38

1,28

Stek 25

41,8

0,3

12

1,68

Woda 25

76,7

0,157

11,9

2,33

Woda 85

56,6

0,0547

3,09

7,44

Lód -12

3,2

0,0009

0,00288

1977

Drewno mahoniowe

25

1,88

0,025

0,047

92,9

Guma (gutaperka) 25

2,4

0,006

0,0144

342,4

Żywica epoksydowa

(araldit CN-501) 25

3,09

0,027

0,0834

67,1

Polichlorek winylu (PCV)

20 202,84

0,0055

0,0156

343,6

Polistyren 25

2,55

0,00033

0,000841

6042

Polietylen 25

252,26

0,00031

0,000701

6828

Teflon 22

222,1

0,00015

0,000315

14644

Sól kuchenna

25

5,9

0,0004

0,00236

3276

Tlenek glinu

25

8,79

0,01

0,00879

362,1

Szkło kwarcowe

25

3,78

0,00006

0,000227

24691

Uwaga: Wartość

wyznaczona została z uproszczonej zależności

r

ε′

δ

cos

ε

ε

r

′

=

′

, co dla

< 0,32

δ

tg

związane jest z błędem < 5%.

Przy nagrzewaniu mikrofalowym zjawisko tłumienia fali we wsadzie jest jeszcze

bardziej wyraźne niż przy nagrzewaniu pojemnościowym (rys. 7.7a), z uwagi na dużo większą
częstotliwość

f/. Tłumienność jednostkowa α, jak to wynika z zależności (7.51), jest wprost

proporcjonalna do pulsacji

ω, czyli także do częstotliwości f. Biorąc pod uwagę ten sam typ

fali jak w p. 7.1 (płaska spolaryzowana liniowo) padającej na półprzestrzeń, otrzymuje się

x

α

0

y

e

E

E

−

=

(8.2)

Moc grzejną, która jest proporcjonalna do kwadratu natężenia pola elektrycznego, określa
wobec tego wzór

x

α

2

VO

V

e

P

p

−

=

(8.3)

208

8.1. Zasady nagrzewania mikrofalowego
____________________________________________________________________________
gdzie:

jest jednostkową mocą objętościową przy powierzchni zaś

jest głę-

bokością wnikania, rozumianą podobnie jak w przypadku nagrzewania indukcyjnego, tzn. taką,
dla której przy wnikaniu fali do półprzestrzeni

zaś

moc

, a więc jest mniejsza o

e

0

V

p

0

V

e

/

α

/

1

δ

m

=

0

V

V

p

/

p

=

1

0

y

e

E

/

E

−

=

2

e

−

2

V

p

p

=

2

od wartości dla

x = 0, czyli na powierzchni wsadu

1)

Uwzględniając wyrażenie (7.51) określające tłumienność jednostkową

α, to

(

)

1

δ

tg

1

2

ε

µ

ω

1

α

1

δ

2

2

m

−

+

′

=

=

(8.4)

Przy

tg

,

co w praktyce zawsze jest spełnione przy nagrzewaniu mikrofalowym,

można przyjąć

3

.

0

δ

≤

1

δ

tg

2

1

1

δ

tg

2

2

+

≈

+

(8.5)

Największy błąd względny popełniany przy takim przybliżeniu ma wartość ok. 0,1%, wobec
tego

δ

tg

4

ε

µ

ω

1

δ

2

2

m

′

≈

(8.6)

a po uwzględnieniu, że

9

/

ε

10

ε

ε

µ

µ

ε

µ

r

16

0

r

0

r

′

=

′

=

′

−

δ

tg

ε

f

π

10

3

δ

r

8

m

′

⋅

≈

(8.7)

lub

δ

tg

ε

π

λ

δ

r

0

m

′

≈

(8.8)

przy czym

- długość fali w próżni.

f

/

c

λ

0

=

209

1)

Mimo, że nie są wysuwane żadne argumenty za tezą, by głębokość wnikania fali w dielektryk definiować

inaczej niż przy wnikaniu w przewodnik, w wielu publikacjach wielkość tę określa się jako odległość od
powierzchni, przy której jednostkowa moc objętościowa jest mniejsza od wartości na powierzchni odpowiednio:
e, l/e lub 2 razy [202], [245], [596], [643]. Przyjęta w niniejszej książce definicja jest analogiczna z definicją w
[432], [625], [637], [643]. W związku z niejednoznacznością definicji

przy korzystaniu z danych liczbowych

należy zachować ostrożność.

m

δ

8. Nagrzewanie mikrofalowe
___________________________________________________________________________

Wartości głębokości wnikania dla niektórych materiałów zawarte są w tabl. 8.2. W

przypadku materiałów o dużej stratności, a więc zawierających np. dużo wody, głębokość
wnikania bywa porównywalna z wymiarem charakterystycznym wsadu. Ma wtedy miejsce
silne tłumienie pola i koncentracja źródeł ciepła w obszarach przypowierzchniowych. Mimo to,
w wyniku przewodzenia, konwekcji lub obu tych mechanizmów wymiany ciepła, następuje
wyrównywanie temperatury istotnie szybciej aniżeli w warunkach nagrzewania pośredniego.

Inna przyczyna nierównomiernego rozkładu źródeł ciepła - także we wsadzie

jednorodnym - tkwi w trudności napromienienia jego powierzchni mocą o jednakowej gęstości,
co także wynika z falowego charakteru transmisji energii ze źródła do wsadu. Określenie
stopnia niejednorodności tej gęstości metodami obliczeniowymi jest możliwe, lecz wymaga
rozwiązania równania Helmholtza przy bardzo złożonych warunkach granicznych,
uwzględniających występowanie odbić, rezonansów oraz faktu, że w istocie rzeczy nie ma się
do czynienia z jedną częstotliwością lecz z pasmem częstotliwości.

Najtrudniej jest określić stan pola elektromagnetycznego w układach rozległych, np. w

komorach rezonansowych, łatwiej w falowodach. Te ostatnie wykorzystuje się jako elementy
wyłącznie transmisyjne, bądź jako elementy aplikacyjne, w których dokonywana jest
konwersja energii elektrycznej w ciepło. Mniejsze komplikacje przy określaniu stanu pola w
falowodach wynikają z faktu, że dla określonej częstotliwości zwykle tak dobiera się ich
wymiary poprzeczne, by zapewnione było rozchodzenie się tylko jednego rodzaju fali
nazywanej rodzajem podstawowym. W sensie matematycznym oznacza to istnienie
pojedynczego rozwiązania równania Helmholtza i mówi się wtedy o tzw. jednomodowej
transmisji fali (rys. 8.2). W takim falowodzie, będącym swego rodzaju prowadnicą w kształcie
rury przewodząc} o przekroju najczęściej kołowym lub prostokątnym, fala rozprzestrzenia się
wzdłuż osi, a jeśli napotyka na umieszczony tam wsad - ulega tłumieniu, podobnie jak fala
płaska. Rozkład mocy grzejnej jest wtedy

Rys. 8.2. Linie pola elektromagnetycznego i rozkład gęstości mocy dla przykładowego rodzaju fali o wzdłużnej

składowej wektora pola magnetycznego, pobudzanej w falowodzie kołowym: a) rozkład E i H w
przekroju poprzecznym, b) rozkład E i H w przekroju podłużnym, c) rozkład gęstości mocy w przekroju
poprzecznym

210

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania
____________________________________________________________________________

łatwy do określenia i staje się możliwe usytuowanie wsadu zapewniające pożądany przebieg
procesu grzejnego. Przy takim rozwiązaniu mówi się o nagrzewaniu w postępującym polu
mikrofalowym.

Jeśli koniec falowodu zamknąć metalową ścianką, powstaje rezonator. Fala odbita i

padająca tworzą falę stojącą z lokalnymi minimami i maksimami. Zwykle też występują
odbicia wielokrotne. O ile utworzony rezonator jest dostatecznie mały, znowu występuje
pojedyncze rozwiązanie równania Helmholtza i tzw. rezonator jednomodowy. I w tym
przypadku także daje się określić stan pola i w konsekwencji korzystne pod względem
cieplnym usytuowanie wsadu [661]. Rezonatory jednomodowe mają zastosowanie do
nagrzewania wsadów o niewielkich wymiarach charakterystycznych, ponieważ łatwiej taki
wsad zlokalizować w obszarach o największych natężeniach pola elektrycznego.

W układach rozległych występuje wiele rodzajów fal, którym odpowiadają niezależne

rozwiązania proste równania falowego, a każde rozwiązanie szczególne, zależy od warunków
początkowych i jest kombinacją liniową rozwiązań prostych [557]. Rezonatory, w których
występują takie złożone pola nazywają się wielomodowymi, przy czym udział poszczególnych
rodzajów fal jest już bardzo trudny do określenia. Na przykład w rezonatorze o wymiarach
1,37 m x 0,86 m x 0,86 m i mocy 6 kW przy częstotliwości 2450 MHz występuje ok. 1200
rodzajów fal (modów) [596]. Mimo to rezonatory wielomodowe są najbardziej
rozpowszechnione w urządzeniach przemysłowych.

W tej sytuacji istotnego znaczenia nabierają empiryczne metody badań efektów

nagrzewania mikrofalowego, co zwykle sprowadza się do wyznaczenia zbioru temperatur w
punktach charakterystycznych. Najbardziej rozpowszechnione metody pomiarowe, z
wykorzystaniem przetworników wymagających wprowadzenia do wsadów przewodów
metalowych, są mało przydatne. Jakiekolwiek metalowe elementy umieszczone we wsadzie,
powodują odkształcenie pola, przejawiające się np. lokalnymi wzrostami gradientów natężeń,
wyładowaniami i innymi zakłóceniami. Przykładowo użycie termoelementu możliwe jest
wyłącznie wtedy gdy pomiar dokonywany jest w odległości od powierzchni wsadu
przekraczającej znacznie głębokości wnikania. Największe zniekształcenie pola występują
zwykle w miejscu, w którym przewody termoelementu przenikają przez powierzchnię wsadu,
co nie zakłóca w sposób znaczący temperatury w punkcie pomiarowym. Do tego rodzaju
pomiarów właściwym rozwiązaniem jest stosowanie światłowodowych przetworników
termometrycznych [717]. W ograniczonym stopniu mogą być stosowane także metody
pirometryczne oraz termowizyjne.

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania

8.2.1. Podstawowe człony urządzeń

Do podstawowych członów elektrotermicznego urządzenia mikrofalowego należy:

człon grzejny - zwany niekiedy aplikatorem (piec lub nagrzewnica), człon zasilający - zawie-
rający m.in. generator (najczęściej magnetron, rzadziej klistron) oraz człon przekazujący

211

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

energię mikrofalową ze źródła do wsadu czyli falowód. Wymienione człony podstawowe są
niekiedy uzupełnione układem grzejnym wykorzystującym inną przemianę elektrotermiczną
lub pompę cieplną. Takie skojarzone urządzenia nazywa się niekiedy hybrydowymi (rys. 8.3).

Rys. 8.3. Schemat blokowy
urządzenia mikrofalowego

Człony główne urządzeń mikrofalowych mogą mieć postać:

— rezonatorów wnękowych,
— układów z falą bieżącą,
— promienników.

Rezonatory wnękowe są członami głównymi, najbliższymi pojęciowo piecom. Pod

względem elektrycznym są to odcinki linii jednorodnych (falowodów) zwarte na obu końcach.
Z nielicznymi, wyjątkami mają kształt prostopadłościenny o ściankach odbijających fale
elektromagnetyczne, a więc metalowych pełnych lub perforowanych, jeśli istnieje potrzeba
obserwacji wsadu. Ponieważ w rezonatorze wytwarza się pole stojące, wymaganie największej
równomierności efektu grzejnego sprawia, że dąży się do wytwarzania wielu rezonansów.
Sprzyja temu zaokrąglenie naroży rezonatora. Ponadto by wywołać wszystkie potencjalnie
możliwe rodzaje rezonansów, w różnych miejscach rezonatora, stosuje się „mieszacze" pola
czyli dysektory. Są to metalowe elementy wirujące lub drgające, na które padają fale
wprowadzane falowodem do wnętrza komory. Zwiększenie równomierności pola temperatury
we wsadzie uzyskuje się także poprzez jego przemieszczanie. Na przykład w popularnych
kuchniach mikrofalowych wsad bywa umieszczany na obrotowych talerzach (rys 8.4a).

Piece mikrofalowe nieprzelotowe i przelotowe w postaci rezonatorów wnękowych o

kształcie prostopadłościennym są stosowane równie często w urządzeniach typu
przemysłowego jak i powszechnego użytku (kuchnie mikrofalowe).

212

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania
____________________________________________________________________________

Rys. 8.4. Schematy mikrofalowych układów grzejnych: a) komorowy, b) przelotowy (tunelowy z trzema

modułami mikrofalowymi), c) przelotowy z falą bieżącą, d) promiennik z dwoma modułami
mikrofalowymi emitujący fale spolaryzowane w płaszczyznach prostopadłych do siebie l -
magnetron, 2 - falowód transmisyjny, 3 - człon główny, 4 - dysektor, 5 - podstawa obrotowa, 6 -
wsad, 7 - dławiki, 8 - absorber, 9 - taśma transportowa o małej stratności, 10 — obciążenie
absorbujące energię nie pochłoniętą przez wsad, 11 - polaryzator mikrofalowy

213

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

Wymiary rezonatora dobiera się tak, by co najmniej dwa z nich były krotnością

długości generowanej fali. Wówczas jest możliwe wytworzenie dostatecznie dużej liczby
rezonansów, odpowiadających wielu rodzajom fal o długościach

. Przy niewypełnionym

rezonatorze

r

λ

2

2

2

r

l

p

b

n

a

m

2

λ













+













+













=

(8.9)

przy czym:

a, b, l - długości boków rezonatora zorientowane równolegle do osi x, y, z; m, n, p -

wskaźniki rzędu rezonansu, określające liczbę połówek fal odkładających się równolegle do
odpowiednich osi [557].

W paśmie 2450±50 MHz (II pasmo wydzielone dla mikrofalowych urządzeń

grzejnych), w rezonatorze w kształcie sześcianu o długości boku 43,2 cm wzbudza się 68
rodzajów fal. Przy zaokrąglonych narożach oraz odbiegających od ideału kształtach rezonatora
liczba modów istotnie wzrasta, co jest korzystne, ponieważ prowadzi to do bardziej
równomiernego rozkładu średniego natężenia pola elektrycznego.

Jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących rezonator jest dobroć

zdefiniowana jako

T

P

E

π

2

Q

s

=

(8.10)

przy czym:

E - średnia energia magazynowana w rezonatorze,

s

P

- średnia moc strat w

rezonatorze,

T - okres drgań.

Jeśli rezonator ma idealnie przewodzące ścianki i jest wypełniony dielektrykiem o

konduktywności i przenikalności

γ

ε′

, to

δ

tg

1

γ

ε

ω

Q

=

′

=

(811)

Gdy jest on częściowo wypełniony wsadem wzorcowym w kształcie kuli, to

)

ν

,

ε

(

F

δ

tg

1

Q

r

′

=

(8.12)

ν

ν

1

ε

9

)

2

ε

(

1

)

ν

,

ε

(

F

r

2

r

r

−

′

+

′

+

≈

′

(8.13)

gdzie:

- współczynnik stratności wsadu, - współczynnik wypełnienia rezonatora

(stosunek objętości wsadu i objętości rezonatora) [596].

δ

tg

ν

214

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania
____________________________________________________________________________

Jak wynika z (8.12) dobroć rezonatora częściowo wypełnionego maleje przy rosnącym

i

v. Silna zależność Q od v prowadzi do bardzo dużej koncentracji mocy w małych objęto-

ściowo wsadach, co niekiedy jest niekorzystne. Na przykład jeżeli 2% objętości rezonatora w
kształcie sześcianu o długości krawędzi 44 cm wypełnione jest wodą o temperaturze 20°C, to
absorbuje ona 90% mocy wyjściowej magnetronu pracującego z częstotliwością

f = 2450 MHz.

Jeśli zmniejszyć ilość wody dwudziestokrotnie, tzn. do 0,1% objętości rezonatora, to absorbo-
wana moc zmniejszy się zaledwie o 1/3 czyli do 60% mocy wyjściowej magnetronu.

δ

tg

Ze wzrostem moc absorbowana przez wsad zgodnie z (8.1) rośnie, co powoduje

jednak zmniejszenie dobroci

Q. Przykładowo dla

r

ε′

3

ε

r

=

′

, przy objętości wsadu l m x l m x 0,7

m, umieszczonego w rezonatorze o wymiarach 2mx2mxlm, uzyskuje się dobroć 1800 przy
2450 MHz w paśmie o szerokości 1,4 MHz.

W przypadku wsadów o dużej stratności i równocześnie dużej przenikalności, głęboko-

ści wnikania przyjmują wartości tego samego rzędu jak wymiary wsadu, a niekiedy je przekra-
czają. Dla takich przypadków zależność (8.12) staje się nieprzydatna.

Zależność (8.12) jest także nieprzydatna przy małych wartościach , ponieważ straty

mocy w metalowych ścianach są nie do pominięcia, gdyż stają się porównywalne z mocą wy-
dzielaną we wsadzie. Dla takiego przypadku zależność (8.12) przyjmuje postać

ν

δ

Qtg

)

ν

,

ε

(

F

Q

)

ν

,

ε

(

F

Q

r

r

n

−

′

′

=

(8.14)

przy czym

Q określa się z (8.12) i (8.13) [596].

Znajomość dobroci rezonatora jest podstawą do obliczenia gęstości mocy

jaką

można doprowadzić do wsadu bez obawy o wystąpienie przebić elektrycznych w piecu. W tym
celu korzysta się z zależności

V

p

Q

4

µ

ωµ

H

p

r

0

2

max

V

′

=

(8.15)

w której:

- jest składową rzeczywistą przenikalności, H

r

µ′

max

- natężeniem pola magnetycz-

nego na powierzchni wewnętrznej rezonatora. Jeśli do wyznaczenia

H

max

posłużyć się związ-

kiem

0

0

max

max

µ

ε

E

H

=

(8.16)

słusznym dla przestrzeni między ścianami rezonatora i powierzchnią wsadu, to przy przyjęciu

(dla suchego powietrza przy ciśnieniu atmosferycznym), otrzymuje się

zawyżone wartości

. Trzeba jednak brać pod uwagę fakt, że w rezonatorze często jest

powietrze o dużej wilgotności, co wymusza ograniczenie

m

/

kV

3000

E

max

=

V

p

V

p .

215

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

Piece mikrofalowe do zastosowań przemysłowych wykonywane są także jako

przelotowe, przy czym wsad jest przemieszczany na taśmie o małej stratności przez
wielomodowy rezonator. W dwóch jego otworach są umieszczone układy ograniczające
niepożądane emisję energii mikrofalowej na zewnątrz do wartości mniejszej niż 5 mW/cm

2

,

mierzonej w odległości 5 cm od urządzenia (rys. 8.4b).

Układy z falą bieżącą to prostoliniowo lub meandrycznie ukształtowane falowody o

przekroju prostokątnym, przeznaczone do nagrzewania wsadów w kształcie taśm, (rys. 8.4c).
W przypadku układu meandrycznego taśmę przeciąga się przez szczeliny wykonane w
odcinkach falowodu prostopadłych do kierunku ruchu wsadu. W płaszczyźnie przesuwu wsadu
występują największe natężenia pola elektrycznego. Jednostkowa moc grzejna maleje
wykładniczo w kolejnych czynnych odcinkach falowodu. Nie pochłonięta przez wsad moc
absorbowana jest przez obciążenie zlokalizowane na końcu falowodu.

Buduje się także układy z falowodami prostymi o przekroju kołowym, otwarte na

jednym końcu, co umożliwia wypromieniowanie energii do wsadu znajdującego się na
zewnątrz falowodu. Taki otwarty układ ma znamiona nagrzewnicy mikrofalowej (rys. 8.4d).

Trzeci rodzaj aplikatorów - promienniki mikrofalowe są także używane w układach

otwartych, głównie w medycynie (diatermia). W zależności od wielkości powierzchni
napromienianej buduje się promienniki mało- i wielkopowierzchniowe.

Człon zasilający składa się z jednego lub wielu mikrofalowych modułów zasilających,

z których każdy oprócz magnetronu lub klistronu, zawiera transformator wysokiego napięcia,
na ogół prostownik, a często także cyrkulator. Istnieją już urządzenia z wieloma modułami
zasilającymi o łącznej mocy wyjściowej 500 kW [416], co oznacza, że ich moc znamionowa
jest rzędu l MW. Magnetrony i klistrony są próżniowymi przyrządami mikrofalowymi
stanowiącymi konstrukcyjną i elektryczną całość, wynikającą z połączenia obwodu
mikrofalowego z obszarem, przez który przechodzi wiązka elektronowa. Są więc one
odpowiednikami generatorów w rozumieniu układów wyposażonych w klasyczne lampy
elektronowe i obwody rezonansowe. Dość często przyrządy te nazywa się także lampami
mikrofalowymi, co może jednak prowadzić do przypisywania im bardziej ograniczonej roli,
typowej dla klasycznych lamp elektronowych.

Zasada działania magnetronów i klistronów polega na modulacji prędkości elektronów

i to odróżnia je od klasycznych lamp, w których występuje bezpośrednia modulacja gęstości
strumienia elektronów,

Z przyrządów tych bardziej rozpowszechnione w elektrotermicznych urządzeniach

mikrofalowych są magnetrony, a spośród wielu ich odmian - magnetrony synchroniczne.

W magnetronach ruch elektronów odbywa się w skrzyżowanych polach: elektrycznym

i magnetycznym. Przyrządy te są zbudowane w postaci diody cylindrycznej, przy czym pole
elektryczne stałe jest skierowane prostopadle do powierzchni katody zaś magnetyczne - wzdłuż
osi przyrządu. Anoda magnetronu wykonana jest w postaci masywnego cylindrycznego bloku
z okrągłym otworem w osi, który połączony jest szczelina-

216

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania
____________________________________________________________________________

mi z równomiernie rozłożonymi wnękami o różnych kształtach (rys. 8.5). Każda taka wnęka
(jest ich 8 - 40) stanowi obwód rezonansowy (rezonator wnękowy) zaś wszystkie one są ze
sobą silnie sprzężone, w wyniku czego powstaje pewien rodzaj - zwiniętej dookoła osi lampy -
linii opóźniającej, wzdłuż której przebiega fala elektromagnetyczna. Cylindryczna katoda z
torowanego wolframu, umieszczona w osi przyrządu, jest żarzona pośrednio lub bezpośrednio i
utrzymywana w swym położeniu za pomocą wsporników dołączonych do dwóch
zaopatrzonych w izolatory wysokonapięciowe przejść katodowych. spełniających także rolę
doprowadzeń prądu żarzenia.

Rys. 8.5. Widok wnętrza magnetronu, zaczerpnięto z [565]: a) blok anodowy z katodą, b) wnęka rezonansowa, c)

obwód rezonansowy LC o właściwościach odpowiadających wnęce z rys. b) I - blok anodowy, 2 -
obszar oddziaływania między strumieniem elektronów i falą elektromagnetyczną, 3 - katoda

Fala elektromagnetyczna biegnąca wzdłuż linii opóźniającej przejmuje część energii od

poruszających się ruchem cykloidalnym elektronów, które obiegając katodę są hamowane w
zmiennych polach elektrycznych przy kolejnych szczelinach łączących rezonatory wnękowe z
pierścieniową szczeliną katoda-anoda.

Pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnesy stałe lub elektromagnesy.

Wyprowadzenie na zewnątrz mocy generowanej odbywa się przez obwód wyjściowy w postaci
pętli umieszczonej w silnym polu magnetycznym jednego z rezonatorów wnękowych i
przechodzącej w odcinek linii współosiowej. Obwód wyjściowy jest zaopatrzony w
małostratną próżnioszczelną przegrodę dielektryczną (okno), rozdzielającą obszar próżni od
atmosfery. Niekiedy stosuje się obwody wyjściowe sprzężone z kilkoma wnękami.

Wysokie stałe napięcie zasilające magnetron (od kilku do kilkudziesięciu kilo-

woltów)jest doprowadzane między katodę a blok anodowy - na ogół uziemiony. Sprawność
magnetronów sięga 60 - 80% zaś ich moc przy pracy ciągłej (tylko ten rodzaj pracy ma
znaczenie w urządzeniach elektrotermicznych) - 20 kW przy 2450 MHz i 60 kW przy
częstotliwości 915 MHz [563]. Przeciętna trwałość magnetronów pracujących

217

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

w przemyśle jest to 5300 h [436], [596]. W powszechnym użyciu są jednak magnetrony o
mocy mniejszej niż 6 kW co sprawia, że w urządzeniach o dużych mocach, jednocześnie
używa się duże liczby takich przyrządów. Eksploatowane są już urządzenia ze 180
magnetronami [552].

Inne rozwiązanie polega na użyciu klistronów, których moce jednostkowe sięgają 90

kW przy częstotliwości 2450 MHz [637]. Z uwagi na ograniczone możliwości regulacji ich
mocy wyjściowej, kiedy pracują jako generatory samowzbudne, są one przydatne w
urządzeniach o stałym obciążeniu.

Człony zasilające urządzeń mikrofalowych, o ile to konieczne, mogą być rozwiązane w

sposób zapewniający regulację mocy wyjściowej, niekiedy w granicach 20 ÷100% w stosunku
do mocy znamionowej, a także jej stabilizację przy zmianach napięcia sieci. Do tego celu
najlepiej nadają się sterowniki tyrystorowe zlokalizowane po strome pierwotnej transformatora
wysokonapięciowego. Dowiedziono, że przy katach wysforowania tyrystorów mniejszych niż
60 nie obserwuje się praktycznie żadnych ujemnych skutków tego rodzaju fazowej regulacji
napięcia.

Większość członów zasilających wyposażona jest w prostowniki, lecz spotyka się także

rozwiązania bezprostownikowe. Przykłady członów zasilających przedstawia rys. 8.6.

Rys. 8.6. Przykłady członów zasilających: a) jednofazowy, b) trójfazowy

1 — transformator zasilający wysokiego napięcia, 2 - transformator żarzenia, 3 - prostownik,
4 - magnetron, 5 - falowód, 6 - aplikator, 7 - elektromagnes magnetronu

I wreszcie ostatnim elementem mikrofalowym członu zasilającego pokazanym na rys.

8.3 jest cyrkulator. Służy on do transmisji fal z przyrządu mikrofalowego - źródła (tor

1) do

aplikatora (tor 2) w warunkach niepełnego dopasowania obciążenia do źródła. Sytuacja taka
powstaje m.in. wskutek zmian parametrów-wsadu w czasie nagrzewania. Otóż cyrkulator
kieruje niewykorzystaną energię zwrotną torem

3 do układu pochłaniającego (np. obciążenie

wodne). Przy niewielkich zmianach dopasowania źródła do odbiornika nie istnieje potrzeba
stosowania cyrkulatora.

218

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania
____________________________________________________________________________

Do prowadzenia fali elektromagnetycznej ze źródła do aplikatora wykorzystuje się

falowody zamknięte czyli rury metalowe o przekroju prostokątnym, kołowym lub innym.
Falowód określają trzy wielkości charakterystyczne: impedancja charakterystyczna

współczynnik przenoszenia i długość. W ogólnym przypadku, gdy impedancja wejściowa
odbiornika oraz impedancja wewnętrzna generatora nie są równe

, czyli gdy generator i

odbiornik nie są dopasowane do falowodu, przebiegające w falowodzie fale będą odbijane
kolejno od impedancji falowych charakteryzujących generator i odbiornik. W wyniku
interferencji powstaną fale stojące.

0

Z

Z

0

Technologia wykonywania falowodów zależy od ich wymiarów i od wymagań

stawianych jednorodności i wartości tłumienia linii, czyli od spadku wartości wektora
Poyntinga w kierunku rozchodzenia się fali w falowodzie. Na ogół przyjmuje się, że wartość
współczynnika fali stojącej (stosunek sumy amplitud fal padającej i odbitej do różnicy
amplitud tych fal) wywołana niepożądanymi zmianami wymiarów falowodu, powinna być
mniejsza niż 1,005. Z kolei niedoskonała gładkość ich powierzchni wewnętrznych w stosunku
do stanu idealnego nie powinna powodować wzrostu tłumienia ponad 40%. Dlatego też
powierzchnie te pokrywa się np. galwanicznie nakładaną warstwą srebra i poddaje polerowaniu
lub w inny sposób zabezpiecza się ich wysoką przewodność elektryczną i odporność na
korozję.

8.2.2. Zastosowania przemysłowe

Wdrażanie techniki mikrofalowej do celów grzejnych w przemyśle należy do obszarów
elektrotermii o największej dynamice rozwojowej w latach 90-tych. Świadczą o tym liczne
publikacje i patenty na temat nowych zastosowań oraz duża liczba specjalistycznych
międzynarodowych imprez naukowych poświęconych nagrzewaniu mikrofalowemu. O
atrakcyjności metody decyduje kilka cech, a zwłaszcza:
— przydatność do bezpośredniego nagrzewania wsadów dielektrycznych w próżni, w parach i

gazach przy różnych ciśnieniach i temperaturach;

— uzyskiwanie w rozwiązaniach standardowych dużych gęstości mocy, rzędu 30 ÷ 50 kW/m

2

;

— wysoce selektywny sposób nagrzewania, skutkujący nagrzewaniem wsadu, a nie jego

otoczenia;

— dowolny stan skupienia wsadów, także gazowy (zimna plazma mikrofalowa);
— duża szybkość nagrzewania, dochodząca do 30000 K/s [692];
— zajmowanie przez urządzenia niewielkiej powierzchni (przeciętnie 0,1 ÷ 0,3 m

2

/kW mocy

mikrofalowej), czyli zwykle znacznie mniejszej w porównaniu z urządzeniami
konwencjonalnymi o podobnej wydajności i przeznaczeniu;

— zbędności izolacji cieplnej;
— mała bezwładność cieplna i ułatwiona automatyzacja.

Należy też zaznaczyć, że wsady o dużej wrażliwości cieplnej (produkty spożywcze,

medykamenty, tworzywa sztuczne), mogą być obrabiane cieplnie w sposób wy-

219

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

kluczający lokalne ich przegrzanie, co przy nagrzewaniu pośrednim złych

przewodników ciepła jest trudne do wyeliminowania. Zmniejsza to odpady produkcyjne.

Do technologicznych zalet nagrzewania mikrofalowego trzeba dodać dobra sprawność

elektrotermiczną. W procesach przemysłowych zawiera się ona 35 ÷ 65%, przy czym ok.
połowa z nich jest realizowana ze sprawnością 40 ÷ 50% [596]. Największy wpływ na tę
wartość ma sprawność generatora oraz aplikatora. Jeśli dodać do tego większą szybkość
procesów mikrofalowych w porównaniu z konwencjonalnymi, a tak jest zwłaszcza przy
suszeniu (50% wszystkich zastosowań), to mimo wysokich kosztów inwestycyjnych urządzeń,
powstają przesłanki do rozwoju tej techniki. Ta alternatywa dla rozwiązań konwencjonalnych
jest szczególnie wyraźna przy zastosowaniu układów skojarzonych w suszarnictwie. Na
przykład przy nagrzewaniu pośrednim zmniejszenie zawartości wilgoci we wsadzie z 60% do
8% wymaga takiego samego czasu, jak jej dalsze zmniejszenie o 2%. Realizacja tej drugiej
fazy techniką mikrofalową skraca ją 6-krotnie zaś cały proces o 40% [572].

Trzeba również odnotować fakt istnienia obszarów zastosowań nagrzewania

mikrofalowego, w których metoda ta stała się jedyną.

W przemyśle spożywczym nagrzewanie mikrofalowe ma szczególnie mocną pozycję

[367], [416], [635], [643]. Wykorzystywane jest ono m.in. do rozgrzewania, rozmrażania,
rozdrabniania, suszenia, gotowania, pieczenia, pasteryzacji, sterylizacji, liofilizacji. Są to
procesy niskotemperaturowe. Atrakcyjność tej metody wynika z wielu jej zalet, a min. z
mniejszej degradacji środków spożywczych obrabianych cieplnie w porównaniu z obróbką
metodami klasycznymi [443].

Rozgrzewanie polega na podwyższeniu zwykle dodatniej temperatury produktów do

wartości umożliwiającej ich spożycie lub dalszą przeróbkę. Proces ten realizowany jest
najczęściej w dwóch fazach: szybkie doprowadzenie produktu do wymaganej temperatury, a
następnie krótkotrwałe jej utrzymywanie na wymaganym poziomie. Urządzenia do tego celu są
wykorzystywane zarówno w wersji przelotowej, jak i nieprzelotowej. Moc doprowadzana w
fazie pierwszej powinna być przeciętnie 4-krotnie większa aniżeli w fazie drugiej..

Rozmrażanie w warunkach nagrzewania pośredniego jest procesem długotrwałym,

zwłaszcza gdy produkty źle przewodzą ciepło, jak chociażby masło. Przyśpieszenie procesu
przez podwyższenie temperatury ośrodka grzejnego może spowodować przegrzanie warstw
zewnętrznych i ich degradację. Rozmrażanie produktów spożywczych powinno przebiegać jak
najszybciej, zwłaszcza w przedziale temperatury -5 ÷ 0°C, ponieważ ogranicza się wtedy
szkodliwe oddziaływania roztworów soli na białka, co powoduje obniżenie ich zdolności
wiązania z wodą. Z uwagi na bardzo szybki wzrost współczynnika pochłaniania

δ

tg

ε

k

r

′

=

w

obszarze tych temperatur, rozmrażanie mikrofalowe – jako bezpośrednie - zdecydowanie
przewyższa metody konwencjonalne czyli pośrednie. Dla produktów o zawartości wody 65
÷90% można przyjmować









−

>

−

<

=

C

5

t

dla

0

.

23

C

5

t

dla

5

.

1

k

o

o

(8.17)

220

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania
____________________________________________________________________________

Moc jednostkowa wydzielana we wsadzie nie powinna przy tym przekraczać 1,0 ÷1,5

kW/kg jego masy [643]. W piecu pracującym w pierwszym paśmie częstotliwości i mającym
wymiary zewnętrzne 2 m x 2 m x 2,35 m można bez trudu rozmrozić w ciągu godziny 1500 kg
mięsa w blokach, podwyższając jego temperaturę z -18°C do -4°C, przy mocy jednostkowej
0,3 kW/kg, a więc odległej od dopuszczalnej [416]. W piecu przelotowym o mocy 120 kW
pracującym także w I paśmie częstotliwości, mającym wymiary 2m x l,8m x 5m rozmraża się
7000 kg/h masła. Jest ono podawane do pieca w odpowiednio opakowanych blokach o
wymiarach 0,41 m x 0,27 m x 0,27 m i rozgrzewane od -10°C do +4°C w czasie 6 minut z
mocą jednostkową 0,17 kW/kg. Wydajność tego urządzenia jest 4-krotnie większa od
charakteryzującej rozwiązania konwencjonalne [416].

Rozdrabnianie mikrofalowe polega na wykorzystaniu wzrostu ciśnienia wskutek

nagrzewania płynu znajdującego się w porach, kapilarach i komórkach wsadu, który ulega
następnie rozkruszeniu. Metody te wykorzystuje się np. przy preparowaniu ziaren kukurydzy,
rozdrabnianiu nasion zbóż, kruszeniu pestkowców (orzechów).

Suszenie jest procesem o cechach samoregulacyjnych, z uwagi na silną zależność

współczynnika pochłaniania od zawartości substancji ciekłych w produktach. Otóż obszary o
większej zawartości cieczy nagrzewają się szybciej i w efekcie szybciej jest ona
odparowywana, co prowadzi do wyrównaniu rozkładu temperatury i wilgotności. Zużycie
energii na wydalenie z produktu l kg wody wynosi 1,3÷3,0 kW·h [552]. Technika mikrofalowa
wykorzystywana jest m.in. do suszenia końcowego płatków ziemniaczanych, chipsów,
makaronów, herbaty. Na przykład przy suszeniu mikrofalowo-promiennikowym herbaty
zmniejszana jest ilość zawartej w niej wody z 8 ÷ 10% do l ÷ 2%. Przy mocy członu
mikrofalowego 7,2 kW i członu promiennikowego - 14 kW uzyskuje się wydajność urządzenia
z piecem przelotowym równą 120 kg/h [416].

Gotowanie przy użyciu energii mikrofalowej znajduje uzasadnienie wtedy gdy istnieje

potrzeba wywołania przede wszystkim wrzenia objętościowego. Metoda ta z powodzeniem
stosowana jest w przetwórstwie warzyw, w przemyśle mięsnym, do gotowania kurcząt, przy
wyrobie pasztetu. Według [416] zastosowanie pieca o mocy znamionowej 100 kW (moc
mikrofalowa - 57 kW), pracującego w paśmie częstotliwości 2450 MHz pozwoliło zwiększyć
wydajność procesu z 95 kg/h do 1000 kg/h, a inwestycja zamortyzowała się po 2 latach.

Pieczenie jest procesem, w którym także wykorzystuje się gwałtowne nagrzewanie

wyrobu w całej objętości. Znane są zastosowania metody mikrofalowej do pieczenia mięsa,
ryb, ciastek, chleba, biskwitów.

Pasteryzacja mikrofalowa jest jednym z najważniejszych zastosowań przemysłowych

metody. Umożliwia ona zniszczenie drobnoustrojów w produktach spożywczych, jest
stosowana też w technice bakteriologicznej i farmaceutycznej. Duża szybkość nagrzewania
sprawia, że cały proces wraz z chłodzeniem trwa bardzo krótko, dzięki czemu zachowuje się
wartości odżywcze produktów i ich smak. Zużycie energii w porównaniu z metodami
klasycznymi jest mniejsze przeciętnie o 60%.

221

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

Zastosowanie mikrofal do konserwacji produktów w opakowaniach pozwala

przedłużyć ich okres przydatności do spożycia przy całkowitym lub istotnie ograniczonym
stosowaniu konserwantów chemicznych. Rozpowszechnionym zastosowaniem jest
pasteryzacja pokrojonego chleba, umożliwiająca przedłużenie jego przydatności do spożycia
do 20 dni. Po wyjęciu sterylnych bochenków z pieca, schładza się je do uzyskania stanu
umożliwiającego krojenie. Po pokrojeniu i zapakowaniu chleb jest podgrzewany w czasie kilku
minut do 75°C. Wobec stosowania do pakowania folii o wytrzymałości cieplnej 90 ÷ 120°C,
nagrzewanie pośrednie musi być długotrwałe (60 ÷ 150 minut), ponieważ temperatura folii nie
może przekroczyć podanych wartości. Oznacza to obniżenie wartości użytkowej chleba lub
konieczność użycia drugich folii o wyższej wytrzymałości cieplnej. Zużycie właściwe energii
w procesie jest mniejsze o 50% w porównaniu z technikami konwencjonalnymi, 5-krotnie
skraca się czas obróbki, zaś powierzchnia zajmowana przez urządzenia jest 10-krotnie
mniejsza przy tej samej wydajności [388], [592], [608].

Innym zastosowaniem jest pasteryzacja gotowych do spożycia kompletnych posiłków

umieszczonych w szczelnych pudełkach z tworzyw sztucznych. Wydłuża to ich przydatność do
spożycia do 6 tygodni przy przechowywaniu w temperaturze 1°C i do 3 tygodni - w
temperaturze 4°C. W piecu przelotowym o długości tunelu 2,5 m i mocy mikrofalowej 120 kW
przy częstotliwości

f = 2450 MHz pasteryzuje się 1000 kg/h potraw. Piec jest wyposażony w

96 magnetronów [416].

Sterylizacja czyli wyjaławianie prowadzące do zniszczenia drobnoustrojów i ich

zarodników jest jedną z metod utrwalania żywności, przebiegającą w wyższej temperaturze niż
pasteryzacja. Sterylizację potraw na bazie surowców mącznych w hermetycznie zamkniętych
pojemnikach z tworzyw sztucznych podgrzewanych do 120C realizuje się w urządzeniach
mikrofalowo-rezystancyjnych o mocy członów mikrofalowych 17 i 72 kW (mniejsza moc jest
wykorzystywana do sterylizacji pojemników) oraz członu rezystancyjnego o mocy 75 kW (do
nagrzewania powietrza). W komorze pieca jest wytwarzane ciśnienie 220 kPa, równoważące
ciśnienie wewnątrz pojemników i tym samym eliminujące niebezpieczeństwo ich .uszkodzenia.
Wydajność takiego urządzenia wynosi 750 kg/h. Sterylizowane produkty mogą być
przechowywane 9 miesięcy [416], [643].

Liofilizacja czyli odwadnianie produktów o dużej zawartości wody przez ich

zamrażanie i sublimację w próżni powstałych kryształków lodu jest procesem, w którym
energia mikrofalowa ma udział w sublimacji. Produkty liofilizowane poddane nawodnieniu
odzyskują pierwotne właściwości organoleptyczne, ponieważ w czasie sublimacji nie ulega
degradacji ich mikrostruktura. Żywność liofilizowana nie wymaga przechowywania w niskich
temperaturach.

Inne zastosowania to np. topienie za pomocą mikrofal tłuszczów, prażenie orzechów, a

także zupełnie szczególne operacje takie jak otwieranie ostryg, ochrona plantacji owoców
cytrusowych przed zimnem.

W przemyśle gumowym nagrzewanie mikrofalowe znalazło zastosowanie stosunkowo

dawno do wulkanizacji wytłaczanych profili gumowych i podgrzewaniu przed wulkanizacją.
Metoda konwencjonalna z wykorzystaniem wanien solnych praktycznie

222

8.2. Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
została całkowicie zastąpiona techniką mikrofalową, którą w tym zakresie można uważać za
wyłączną. Stosowane są także układy mikrofalowo-paliwowe [416], [536], [592].

W przemyśle drzewnym i papierniczym metoda jest wykorzystywana do wstępnego i

końcowego suszenia fornirów, małych elementów drewnianych, miejsc łączonych za pomocą
kleju, powłok lakierniczych, papieru, druku [462], [512].

W przemyśle odlewniczym interesującym zastosowaniem jest suszenie całych rdzeni

formierskich oraz cienkich powłok z materiału ceramicznego, którym pokrywa się
powierzchnie form oraz rdzeni formierskich. Chodzi w tym przypadku o zapewnienie m.in.
właściwej gładkości powierzchni odlewów żeliwnych wytwarzanych w szczególności na
użytek przemysłu samochodowego [388], [608].

W medycynie: diatermia, rozmrażanie przechowywanych organów do przeszczepów,

krwi i preparatów krwiopochodnych.

Inne zastosowania: przetwórstwo tworzyw sztucznych, hartowanie betonu, suszenie

skór, tekstyliów, kosmetyków, zbóż w połączeniu z niszczeniem szkodników, farmaceutyków
temperaturoczułych, ceramiki szlachetnej w przemyśle elektronicznym, wytwarzanie filtrów
ceramicznych, recykling paliw jądrowych, obróbka cieplna odpadów medycznych, recykling
asfaltu. Dwa ostatnie zastosowania są szczególnie interesujące.

Obróbka odpadów medycznych ma na celu ich przetworzenie do takiego stanu, by nie

było rozpoznawalne ich pochodzenie i jest realizowana tam gdzie one powstają, przed
przetransportowaniem do spopielaczy, usytuowanych zwykle w dużej odległości od szpitali.
Polega ona na granulacji i nawilżaniu odpadów i całkowitej ich dezynfekcji w cylindrycznym
przelotowym aplikatorze mikrofalowym. Najbardziej rozpowszechnione są instalacje
kontenerowe o mocy mikrofalowej ok. 7 kW. Przelotność takich urządzeń - 250 kg/h, przy
całkowitych kosztach procesu w warunkach amerykańskich 9 centów/kg w cenach z końca
19,92 r. [402].

Recykling asfaltu jest technologią realizowaną przy użyciu urządzeń mikrofalowych o

największej mocy (500 kW mocy mikrofalowej przy 915 MHz). Stary asfalt przy stosowaniu
technologii konwencjonalnych może być tylko w części ponownie wykorzystany, przy czym
do obróbki l Mg potrzeba 10 m gazu naturalnego. Technologia mikrofalowa pozwala na pełny
odzysk asfaltu, a wydajność instalacji o mocy mikrofalowej 500 kW wynosi 100 Mg/h. Cechą
charakterystyczną procesu jest bardzo mała degradacja bitumów oraz minimalna emisja gazów
(4,2% CO

2

859 ppm CO, 23 ppm NO

x

) [416].

8.2.3. Zastosowania w gospodarstwie domowym

Stopień rozpowszechnienia tzw. „kuchni mikrofalowych" (rys. 8.4a), czyli przyrządów
grzejnych przeznaczonych do użytku domowego, których człon grzejny wykonany jest w
postaci rezonatora wnękowego o kształcie prostopadłościennym, ilustruje najlepiej wielkość
ich produkcji. Otóż w roku 1990 w świecie wytwarzano rocznie około 24 milionów sztuk
takich przyrządów [394]. Szacuje się, że w USA i Japonii 55 ÷ 70% gospo-

223

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________
darstw domowych już w 1990 r. wyposażonych było w kuchnie mikrofalowe. Przyczyniły się
do tego trzy elementy:

— wzrost liczby jednoosobowych gospodarstw domowych;
— istotna obniżka cen urządzeń, wynikająca m.in. z uruchomienia produkcji wielko-

seryjnej;

— stały wzrost podaży produktów gotowych do spożycia i wymagających jedynie pod-

grzania w kuchni mikrofalowej.

Zalety tych przyrządów są oczywiste. Można w nich nagrzać niewielkie ilości środków

spożywczych szybko i wygodnie, oszczędzając czas i energię, przy istotnej redukcji pracy
związanej z myciem naczyń.

Moce tych przyrządów zawierają się w przedziale 400 ÷ 1200 W, a najczęściej 600

÷800 W. Są one wystarczające m.in. z tego powodu, że wydłużony czas rozgrzewu jest
niezbędny do wyrównania temperatur w przygotowywanych potrawach, które rzadko są
jednorodne pod względem współczynnika pochłaniania mikrofal. Wspomniana już specyfika
działania urządzeń mikrofalowych, polegająca na korzystnej relacji między zmniejszającą się
ilością wsadu i mocą grzejną jest w przypadku kuchni zachowana. I tak, jeśli zmniejszać ilość
wody nagrzewanej następująco: 2,0; 1,0; 0,5; 0,25 kg, to pochłaniana przez nią moc będzie
wynosić odpowiednio: 825; 780; 730; 660 W.

Kuchnie mikrofalowe pracują w II paśmie częstotliwości (2450 MHz), są wyposażone

w prostowniki półprzewodnikowe na napięcie ok. 9 kV oraz generatory magnetronowe.
Dostępne na rynku kuchnie mają zróżnicowane wyposażenie. Układy sterowania w
najprostszych modelach są typu elektromechanicznego, w modelach zaawansowanych stosuje
się mikroprocesory z możliwością pomiaru i regulacji temperatury wsadu, automatycznego
wyznaczania jego masy i czasu rozmrażania. Niektóre modele wyposażone są w dodatkowy,
np. promiennikowy człon grzejny, umożliwiający doprowadzenie powierzchni zewnętrznej
wsadu do stanu uzyskiwanego przy nagrzewaniu pośrednim, co przy wyłącznie mikrofalowym
sposobie doprowadzania energii jest możliwe, lecz wymaga specjalnych naczyń..

Kuchnie mikrofalowe są stosowane nie tylko w gospodarstwie domowym. Ich

rozwinięte wersje, także typu przelotowego, używane są w restauracjach, barach szybkiej
obsługi, a także w samolotach i statkach kosmicznych [92], [643].

8.3. Biologiczne skutki oddziaływania pól

elektromagnetycznych o częstotliwościach
10 MHz ÷300 GHz

Większość badań dotycząca oddziaływania pól elektromagnetycznych na organizmy żywe, a w
szczególności na ludzi, obejmuje przedział częstotliwości charakterystycznych dla dwóch
metod elektrotermicznych: pojemnościowej i mikrofalowej. Podane poniżej

224

8.3. Biologiczne skutki oddziaływania pól elektromagnetycznych
____________________________________________________________________________
oceny i wnioski są zawarte w raportach wielu międzynarodowych i narodowych organizacji
zajmujących się tym problemem, a m.in.: Światowej Organizacji Zdrowia, Międzynarodowego
Komitetu d/s Promieniowania Niejonizującego, Narodowej Rady d/s Ochrony przed
Promieniowaniem (Wielka Brytania), Krajowego Zarządu Ochrony Radiologicznej (Wielka
Brytania). Zostały one sformułowane na podstawie prac badawczych opisanych w kilku
tysiącach publikacji.

Generalny wniosek wynikający z tych raportów jest następujący: oddziaływanie fal o

częstotliwościach wykorzystywanych przy nagrzewaniu pojemnościowym i mikrofalowym na
materię biologiczną może być wyjaśnione za pomocą praw klasycznej fizyki w zakresie
gromadzenia energii elektromagnetycznej, powodującego wzrost temperatury, co wytwarza
określone efekty biologiczne [464]. Nie są więc wymieniane żadne udokumentowane efekty
powodowane czym innym niż zmianą temperatury.

Bezpośrednie gromadzenie energii jest głównym mechanizmem powstawania zagrożeń

przy częstotliwości

f > 50 MHz. Dla f < 10 MHz podstawowymi zagrożeniami biologicznymi

są porażenia elektryczne i poparzenia. Ponieważ urządzenia pojemnościowe i mikrofalowe
mogą być eksploatowane w przedziale częstotliwości 10 MHz <

f < 300 GHz można przyjąć,

że w interesującym nas zakresie przeważa pierwszy z tych mechanizmów

1)

.

Oddziaływanie pól RF i MF na obiekty biologiczne zależy od stosunku długości fali do

charakterystycznego wymiaru obiektu. Dla dużych wartości tego stosunku, wskutek ugięcia fal,
wzajemne oddziaływanie jest niewielkie. Gdy stosunek ten jest bliski jedności, pochłanianie
energii pola może następować w wyniku powstawania rezonansu ćwierćfalowego oraz
półfalowego. Dla małych wartości tego stosunku oddziaływanie jest takie jak przy padaniu fali
płaskiej na półprzestrzeń.

W ostatnim dwudziestoleciu wykonano liczne eksperymenty na zwierzętach do-

świadczalnych, badając skutki tych oddziaływań. Stwierdzono, że wszystkie one miały
przyczyny cieplne. Skutki miały charakter odwracalny bądź nieodwracalny, zależnie od ilości
pochłoniętej energii. Odwracalne skutki pochodzenia cieplnego powodowane przez
pochłanianie fal RF i MF mają taki sam charakter, jak powstające w wyniku działania innych
czynników, np. wzrostu aktywności fizycznej bądź występowania bodźców emocjonalnych.
Nie uważa się ich za szkodliwe, chociaż mogą powodować niepożądany - chwilowy
dyskomfort.

Obserwowane nieodwracalne skutki nadmiernego wzrostu temperatury w rezultacie

pochłaniania energii mikrofalowej były takie same jak np. w wyniku nadmiernego
pochłaniania promieniowania podczerwonego.

Otóż przepisy normalizacyjne dopuszczają takie poziomy napromienienia, które

całkowicie wykluczają możliwość powstania efektów nieodwracalnych i ograniczają efekty
odwracalne do poziomów, które mogą być powszechnie zaakceptowane. I tak

225

1)

W literaturze przedmiotu zakres częstotliwości f charakterystyczny dla nagrzewania pojemnościowego określą

się często mianem częstotliwości radiowych (RF), dla mikrofalowego - mianem częstotliwości mikrofalowych
(MF). Takie skrótowe oznaczenia będą w dalszym ciągu stosowane

.

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

w przepisach przyjętych przez Amerykański Narodowy Instytut Normalizacyjny w roku 1982
przyjęto, że dla ludzi tzw. maksymalny jednostkowy poziom absorpcji SAR (

Specific

Absorbtion Rate) nie powinien przekraczać 0,4 W/kg dla całego ciała. Przyjęto go
stwierdzając, że u zwierząt doświadczalnych 10-krotnie większa wartość SAR powodowała
osłabienie wykonywania różnych zadań. Podobne kryterium zostało przyjęte przez inne
organizacje, łącznie z Narodowym Zarządem Ochrony Radiologicznej (Wielka Brytania) w
przepisach normalizacyjnych NRPB-GS11 z roku 1988.

Poziom absorpcji SAR trudno jest zmierzyć doświadczalnie i nie jest możliwe jego

określenie w typowych warunkach roboczych. Udało się jednak powiązać SAR z gęstością
mocy

p wyrażoną w W/m

2

w rozważanym zakresie częstotliwości. Dokonano tego biorąc pod

uwagę właściwości elektryczne różnych tkanek, konstruując modele matematyczne i
porównując wynik obliczeń z badaniami empirycznymi na równoważnych modelach
fizycznych o właściwościach tkanek [695].

Rys. 8.7. Dopuszczalne jednostkowe poziomy absorpcji SAR i równoważne im poziomy gęstości mocy w

obszarze częstotliwości charakterystycznych dla urządzeń pojemnościowych i mikrofalowych, wg [416]

1 — równoważny poziom odniesienia dla niekontrolowanych obszarów powszechnie dostępnych,
2 - równoważny poziom odniesienia, 3 - średnio dla dorosłych, 4 - średnio dla małych dzieci, 5 -

poziom odniesienia

W rezultacie określone zostały maksymalne dopuszczalne wartości gęstości mocy p w

funkcji częstotliwości /, co przedstawia rys. 8.7. Konwersja wartości

p na równoważne

natężenia pola magnetycznego

H i elektrycznego E, a więc łatwo mierzalne,

226

8.3. Biologiczne skutki oddziaływania pól elektromagnetycznych
____________________________________________________________________________

prowadzi do wyników zawartych w tabl. 8.3. Konwersji tej dokonano przy założeniu, że
zależność fazowa miedzy tymi wielkościami jest taka, jaka występuje w polu w dużej
odległości od źródła promieniowania [416].

Tablica 8.3. Dopuszczalne gęstości mocy i równoważne im natężenia pól
w funkcji częstotliwości wyrażonej w GHz, wg [416]

Wartość skuteczna natężenia pola

Częstotliwość

Gęstość mocy

falowej

magnetycznego elektrycznego

GHz W/m

2

A/m V/m

0.03÷0,4

0,40÷2,0

2,00÷300

10

25 f

50

0,163

0,258

f

0,364

10

25 f

50

Nie można nie odnotować zastrzeżeń zgłaszanych do przedstawionej koncepcji, z

uwagi na przyjęte założenia upraszczające, a zwłaszcza uwzględnienie wyłącznie efektów

wywołanych przez zjawiska cieplne. Wskazywano m.in. na występowanie absorpcji

rezonansowej w komórkach drożdży przy częstotliwości 41 GHz [466], oraz w DNA w paśmie

l

÷

9 GHz [428]. Żadne z tych doniesień nie zostało jednak potwierdzone przez kolejne prace w

niezależnym laboratorium [450], [451].

Według najwybitniejszych autorytetów w zakresie badań nad oddziaływaniem pól o

częstotliwościach RF i MF (m.in. E.H. Granta [451]) dopóki nie istnieją jednoznaczne dowody

istnienia zagrożeń powodowanych czym innym niż zmiany temperatury, znajduje uzasadnione

posługiwanie się poziomami podanymi na rys. 8.7. i w tabl. 8.3 [416]. W konkretnych

przepisach proponowane poziomy, przy uwzględnieniu czasów ekspozycji, mogą się różnić od

podanych na rys 8.7, lecz w przypadku tylko efektów cieplnych rozbieżności te nie mogą być

duże.

Rys.8.8. Zasięg obszarów o gęstości
mocy 2 W/m

2

i 0.2 W/m

2

w otocze-

niu kuchni mikrofalowej

227

8. Nagrzewanie mikrofalowe
____________________________________________________________________________

Oczywiście sygnały o powstawaniu efektów nietermicznych powinny być skrupulatnie

badane, a przyjęte przepisy w razie potrzeby - modyfikowane. Dla przykładu na rys. 8.8

podano wyniki pomiarów gęstości mocy w otoczeniu kuchni mikrofalowej powszechnego

użytku o stosunkowo dużej emisji promieniowania. Otóż w średniej odległości od drzwiczek

równej 25 cm, gęstość mocy kształtuje się na poziomie 2 W/m

2

czyli 5 razy mniejszej od

wartości, która przyjęta jest za dopuszczalną, a więc nie powodującą udokumentowanych

niepożądanych efektów biologicznych.

Obowiązujące od roku 1995 międzynarodowe przepisy normalizacyjne są bardziej

liberalne i dopuszczają w normalnych warunkach w odległości 5 cm od urządzenia typu

przemysłowego

p = 50 W/m

2

zaś w warunkach nietypowego użytkowania 100 W/m

2

[720].

Urządzenia powszechnego użytku i przemysłowe mają cały szereg zabezpieczeń

uniemożliwiających otwarcie komory rezonatora podczas pracy oraz ograniczających emisję

promieniowania przez otwory technologiczne i nieszczelności. Szczegóły na ten temat znajdzie

Czytelnik w literaturze specjalistycznej, np. w [643].

228