NAGRZEWANIE MIKROFALOWE

Nagrzewanie mikrofalowe jest to nagrzewanie elektryczne związane z efek­tem polaryza­cji w ośrodkach dielektrycznych i półprzewodnikowych, do których energia elektromag­netyczna wielkiej częstotliwości doprowadzana jest falowodem.

W przypadku na­grzewania mikrofalowego za efekty cieplne jest odpowie­dzialne wyłącznie zjawisko po­laryzacji i odmienny jest sposób doprowa­dzania energii w.cz. aniżeli w metodzie pojemnościowej. Ten drugi czynnik w połą­czeniu ze znacznie większą częstotliwością sprawia, że konstrukcja urządzeń pojemnoś­ciowych i mikrofalowych różni się zasadniczo.

Wyrażenie na jednostkową moc grzejną (W/m³) wytwarzaną we wsadzie na­grzewanym mikrofalowe

jest identyczne z wyrażeniem jak w metodzie pojemnościowej.

Pasma częstotliwości wydzielone dla

mikrofalowych urządzeń grzejnych

Pasmo	Częstotliwość	Długość fali w próżni
		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

W zasadzie mikrofalowo można nagrzewać wsady o współczynniku
. 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.

Tablica 8.2. Właściwości dielektryczne niektórych materiałów oraz głębokość wnikania pola w półprzestrzeń przy 3 GHz

Materiał	t
		°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 , co dla < 0,32 związane jest z błędem < 5%.

Interesującym zjawiskiem przy nagrzewaniu mikrofalowym jest zjawisko tłumienia fali we wsadzie, które także występuje w nagrzewaniu indukcyj­nym. Z uwagi na fakt, że w tym przypadku mamy do czynienia z dielektry­kami i z innym mechanizmem nagrzewania, w odmienny sposób określa się głębokość wnikania, a mianowicie:

Przy
, co w praktyce zawsze jest spełnione przy nagrzewaniu mikro­falowym, można przyjąć

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

a po uwzględnieniu, że

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.

Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania

Do podstawowych członów elektrotermicznego urządzenia mikrofalowego należy: człon grzejny - zwany niekiedy aplikatorem (piec lub nagrzewnica), człon zasilający - zawie­rający m.in. generator (najczęściej magnetron, rza­dziej klistron) oraz człon przekazujący 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.

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.

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

1 - 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

Człon zasilający urządzenia mikrofalowego 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, 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.

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.

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.

W powszechnym użyciu są magnetrony o mocy rzędu 2 kW co sprawia, że w urządzeniach o dużych mocach, jednocześ­nie używa się bardzo wielu małych magnetronów (znane są rozwiązania ze 180 magnetronami).

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

Zastosowania przemysłowe

W przemyśle spożywczym nagrzewanie mikrofalowe ma szczególnie mocną pozycję. 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.

W przemyśle gumowym nagrzewanie mikrofalowe znalazło zastosowanie sto­sunkowo dawno do wulkanizacji wytłaczanych profili gumowych i podgrzewaniu przed wulkanizacją.

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.

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.

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.

Zastosowania w gospodarstwie domowym

Moce tych przyrządów zawierają się w przedziale 400 ÷ 1200 W, a naj-

częściej 600 ÷800 W.

Kuchnie mikrofalowe pracują w II paśmie częstotliwości (2450 MHz), są wypo­sażone w prostowniki półprzewodnikowe na napięcie ok. 9 kV oraz generatory magnetronowe.

Specyfika działania urządzeń mikrofalowych, polega na korzystnej relacji między zmniejszającą się ilością wsadu i mocą grzejną. 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 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.

Biologiczne skutki oddziaływania pól elektromagnetycznych

o częstotliwościach 10 MHz ÷300 GHz

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. Nie są więc wymieniane żadne udoku­mentowane efekty powodowane czym innym niż zmianą temperatury.

Tablica 8.3. Dopuszczalne gęstości mocy i równoważne im natężenia pól

w funkcji częstotliwości wyrażonej w GHz

Częstotliwość	Gęstość mocy falowej	Wartość skuteczna natężenia pola
				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 0,364	10 25 f 50

7

Rys.8.8. Zasięg obszarów o gęstości mocy 2 W/m² i 0.2 W/m² w otocze­niu kuchni mikrofalowej

---