CAPITOLUL 5

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).

5.2 Surse de microunde

În prezent există trei tipuri de surse de microunde, capabile să producă o putere

suficientă pentru aplicaţiile de procesare a materialelor dielectrice la un cost acceptabil:

magnetronul, klystronul şi girotronul.

5.2.1 Magnetronul

- a apărut în 1921 (în 1940 a fost utilizat prima oara în Anglia, în tehnica radar);

- este un tub cu vid, în interiorul căruia acţiunea combinată a câmpurilor electric şi magnetic

face posibilă producerea energiei electromagnetice de foarte înaltă frecvenţă (peste 800

MHz);

- se realizează pentru puteri P 6 kW (pentru aplicaţii casnice este cea mai mare cerere:

P = 0,5...1 kW);

- durata de funcţionare: 3000 6000 ore;

- răcire cu aer (la puteri mici) sau apă (la puteri mari);

- randamentul : 50...60%.

Magnetronul conţine doi electrozi principali:

- catodul (este în general un filament elicoidal din wolfram thoriat, sau tungsram,

încălzit la 2000C, printr-o alimentare de joasă tensiune (5V; 10V). Catodul se foloseşte

pentru emisia termoelectronică.

- anodul cilindric, este prelucrat dintr-un bloc metalic (cupru), în care sunt prevăzute

fante şi cavităţi longitudinale.

Observaţie:

Catodul este înconjurat de anod. Fantelor li se poate ataşa o capacitate electrică, iar

cavităţilor o inductivitate (practic o spiră în scurtcircuit). Aceste elemente îndeplinesc rolul de

circuit rezonant la o frecvenţă precisă, determinată de dimensiunile geometrice.

Una din cavităţile anodului conţine o antenă care permite extragerea energiei câmpului

de microunde în exterior (în ghidul de undă). Antena poate fi: cu linie coaxială, printr-o

fereastră cu microunde ceramică, sau cu ghid de undă.

6

Primele tipuri de magnetroane aveau un anod cilindric sau secţionat. Tipurile mai

moderne de magnetron sunt prevăzute cu un anod format dintr-un bloc metalic cu mai multe

cavităţi (1020 cavităţi).

Fig. 5.3 Secţiune transversală printr-un magnetron cu cavităţi rezonante:1- catod; 2 - spaţiu de interacţiune; 3 - pol anodic; 4 - fantă;5 - cavitate rezonantă (rezonator); 6 - anod (bloc anodic);

7 - inel (bară conductoare); 8 - sonda (bucla) de extragere a energiei.

Fig. 5.4 Schema de alimentare a unui magnetron (800 W).

Catodul este conectat la un potenţial negativ ridicat, iar anodul este conectat la

potenţialul zero. În aceste condiţii există un câmp electric radial în spaţiul de interacţiune ce

separă cei doi electrozi.

7

R

R

A

C

A

C

A

C

(a)

(cicloidă normală)

(b)

(cicloidă scurtată)

(c)

(cicloidă alungită)

Un câmp magnetic paralel cu axa catodului (perpendicular pe câmpul electric) este

produs cu ajutorul unor magneţi permanenţi sau electromagneţi.

Studiul fenomenelor care au loc în magnetron este mai complex decât cel al

fenomenelor din tuburile în care deplasarea electronilor se face pe traiectorii rectilinii.

Existenţa câmpurilor electric şi magnetic obligă electronii să se deplasese pe o

traiectorie complicată în jurul catodului.

Fig. 5.5 Traiectoria electronilor sub influenta câmpului electric şi magnetic.

Sub acţiunea câmpurilor din spaţiul de interacţiune (câmpul electric creat de tensiunea

anodică şi câmpul magnetic creat de magnet), electronii se pun în mişcare descriind traiectorii

sub forma unor bucle succesive, numite cicloide, caracterizate printr-o mişcare uniformă de

translaţie cu viteza v0 = E0/0 şi o mişcare de rotaţie cu viteza liniară v = R0.

Când viteza de translaţie (v0) şi viteza de rotaţie (v) sunt egale (v0 = v), traiectoria

electronilor este o cicloidă normală (fig. 5.5.a). Dacă v0 v rezultă o cicloidă scurtată (fig.

5.5.b), iar dacă v0 < v, cicloida este alungită (fig. 5.5.c).

Randamentul magnetronului este superior celorlalte tuburi de înaltă frecvenţă datorită

interacţiunii dintre câmpul electromagnetic de înaltă frecvenţă şi fasciculul de electroni ce se

deplasează în jurul catodului, în spaţiul dintre anod şi catod.

Funcţionarea magnetronului se bazează pe transferul de energie pe care-l realizează

electronii din spaţiul de interacţiune.

Electronii absorb energia de la sursa de tensiune anodică şi o cedează cavităţilor

rezonante. Câmpul electric de microunde este determinat de oscilaţiile care apar în circuitul

rezonant realizat de fantele şi cavităţile magnetronului atunci când fasciculul de electroni se

deplasează de la catod spre anod.

8

Este necesară o sincronizare a fasciculului de electroni cu câmpul electromagnetic de

înaltă frecvenţă astfel încât câmpul electromagnetic şi electronii să se roteasca în jurul axei

magnetronului, în spaţiul anod - catod, având un raport de viteze bine determinat.

Fig. 5.6 Detalii privind structura şi funcţionarea magnetronului.

Fig. 5.7 Magnetron cu secţiune îndepărtată,fără magnet.

Fig. 5.8 Magnetron cu dispozitivele auxiliare.

5.2.2 Klystronul

Cel mai simplu klystron are două cavităţi rezonante (fig. 5.9).

Klystronul este un amplificator (de fapt) de microunde, cu structură liniară, având

durata de viaţă aproximativ 15.000 ore.

Amplificarea de putere are loc prin interacţiunea dintre un fascicul de electroni şi

câmpul electric de microunde determinat de o sursă iniţială (în mod uzual un magnetron).

Banda de frecvenţă a amplificatorului este îngustă, deoarece se folosesc cavităţi rezonante.

9

Fig. 5.9 Schema de principiu a unui klystron cu 2 cavităţi rezonante.

În figura anterioară :

C – reprezintă catodul (sursa de electroni)

F - sistem de lentile electrostatice (asigură focalizarea electrostatică a fasciculului de

electroni)

A - anod (colectorul, se află la o tensiune pozitivă ridicată - câţiva kV)

E - fascicul de electroni

1, 2 - cavităţi rezonante

I, II, III, IV - grile (cu care sunt prevăzute cavităţile rezonante)

U0 - tensiunea de accelerare (se aplică între C şi grila I )

u1 = U1sin t - tensiunea de microunde (se aplică între grilele I şi II )

În cazul klystronului cu două cavităţi rezonante (fig. 5.9), electronii care pleacă de la

catodul C (cu viteză iniţială nulă) sunt concentraţi în fasciculul E de către sistemul de lentile

electrostatice F şi acceleraţi datorită tensiunii U0 .

În spaţiul dintre grilele I şi II electronii sunt modulaţi în viteză. În funcţie de momentul

în care intră în spaţiul dintre cele două grile, electronului i se imprimă o viteză mai mare sau

mai mică, sau este frânat.

În spaţiul dintre grilele II şi III electronii se deplasează cu viteză constantă (diferită

pentru fiecare electron), egală cu cea cu care electronul a ieşit din spaţiul dintre grilele I şi II .

Spaţiul dintre grilele II şi III se numeşte spaţiu de grupare a electronilor, sau spaţiu de

modulaţie în densitate (electronii care au plecat mai devreme din dreptul grilei II, dar au o

viteză mai mică sunt ajunşi de electronii care au plecat mai târziu, dar au o viteză mai mare; în

acest mod are loc gruparea electronilor).

Electronii ajung grupaţi în dreptul grilei III, peridiocitatea impulsurilor fiind

determinată de alegerea corectă a tensiunilor U0, U1 şi a distanţei de grupare d dintre grilele II

şi III.

În regim de lucru, în cavitatea (2) există un câmp electric de foarte înaltă frecvenţă.

Fasciculul de electroni grupaţi trebuie să între în cavitatea rezonantă astfel încât câmpul de

înaltă frecvenţă să frâneze electronii, iar aceştia să-şi cedeze energia cinetică câmpului

electromagnetic din cavitate (are loc un transfer de energie: din energia cinetică a electronilor

rezultă energie electromagnetică de înaltă frecvenţă).

Puterea obţinută în cavitatea rezonantă (2) este transferată, printr-un sistem de cuplaj,

unei sarcini externe, la bornele căreia apare tensiunea u2. Pentru a obţine putere de microunde

10

E

d

1 2

C

F

A

UA

I II III IVU0 u1= U1 sinωt u2 = U2 sinωτ

apreciabilă este necesar ca tensiunea u2 în cavitate să fie sincronizată cu deplasarea

electronilor astfel încât în cavitatea (2) să aibă loc o frânare eficientă a electronilor.

Fig. 5.10 Schema de principiu a unui klystron cu 2 cavităţi rezonante şi cinci grile.

Fig. 5.11 Klystron.

În cazul general, klystronul se realizează cu mai multe cavităţi. Cavităţile rezonante

intermediare nu au legătură cu exteriorul, având rolul de a modula în viteză fasciculul de

electroni.

11

Klystronul cu mai multe cavităţi rezonante se caracterizează prin amplificare şi

randament crescut, datorită modulaţiei succesive în viteză a electronilor şi datorită efectului

de grupare a acestora.

5.2.3 Girotronul

Un alt generator de microunde, mult mai puternic, este girotronul. Acestea emit un

fascicul de unde milimetrice generate de electroni cu mişcare de ciclotron într-un câmp

magnetic puternic.

Puterile tipice sunt de la zeci de kW până la 2 MW, frecvenţa între 20 şi 250GHz, iar

randamentul în jur de 40%. Girotronul poate fi proiectat pentru funcţionare în impulsuri sau

continuă.

Fabricanţi de girotroane sunt printre alţii CPI (SUA), Gycom (Rusia), Thales Group

(UE), şi Toshiba (Japonia). O aplicaţie a girotronului este generarea şi încălzirea plasmei în

cercetările experimentale legate de fuziunea nucleară.

Girotronul este un tip de maser (microwave amplification by stimulated emission of

radiation) cu electroni liberi în mişcare la viteze slab relativiste, comparabile dar nu aproape

de viteza luminii.

Fig. 5.12 Schema de principiu a unui girotron.

În fig. 5.13 este prezentat un girotron VGB-8095 produs de CPI, montat pe un magnet

superconductor compact. Acesta are o putere de ieşire de 100 kW la 95 GHz, cu randament de

50% şi este conceput pentru operare continuă.

12

Fig. 5.13 Girotron CPI VGB-8095.

5.3 Ghiduri de undă

Ghidurile de undă reprezintă domenii dielectrice situate de-a lungul unei axe, separate

de mediul înconjurător prin suprafeţe conductoare. Domeniul respectiv poate asigura

propagarea ghidată a câmpului electromagnetic pe direcţia axei sale.

Fig. 5.14 Tipuri de ghiduri de undă.

13

(a) (b) (c)

(d)(f)

(e)

După forma secţiunii transversale, ghidurile de undă pot fi: dreptunghiulare (fig.

5.14.a); circulare (fig. 5.14.b); eliptice (fig. 5.14.c); în formă de U (fig. 5.14.d); în formă de H

(fig. 5.14.e); coaxiale (fig. 5.14.f).

În tehnica încălzirii cu microunde se folosesc de regulă ghiduri uniforme, care au

conturul secţiunii transversale de formă constantă pe toată lungimea lor (au secţiunile

transversale identice în orice punct pe axa longitudinală).

Ghidurile dreptunghiulare cu pereţi metalici, complet ecranate cu aer (ca şi dielectric),

sunt utilizate atât în instalaţiile cu microunde de putere mică (1 2 kW), cât şi în instalaţiile

de putere mare (5 10 kW).

Avantajele pe care le oferă utilizarea acestor ghiduri sunt: nu permit pierderi prin

radiatie; prezintă pierderi mici în metalul pereţilor şi în dielectric; permit transmiterea de

puteri mari; sunt de constructie simplă şi robustă.

Propagarea undelor electromagnetice se poate realiza în mai multe moduri, funcţie

de configuraţiile vectorilor asociaţi câmpului electromagnetic:

- transmiterea undelor electromagnetice transversale (mod TEM - mod transversal

electromagnetic): E şi H sunt perpendiculari pe direcţia de propagare.

Exemple: plăci metalice paralele, linia bifilară, cablul coaxial.

- transmiterea undelor caracterizate prin cel puţin o componentă a câmpului în lungul

direcţiei de propagare, într-un conductor tubular unic (mod TE - transversal electric, sau

mod TM – transversal magnetic).

Exemplu: ghidurile de microunde.

Fig. 5.15 Propagarea a două unde de mod TEM prin reflexii multiple (între 2 plane conductoare).

Prin compunerea a două unde de mod TEM (plane) se obţine o undă de mod TE.

Propagarea unei unde de mod TE este posibilă numai dacă lungimea de undă a acesteia este

inferioară unei valori critice (0 < 0C).

14

unda B

unda A

Bandă conductoare

Bandă conductoare

B B

B

A

A A

Fig. 5.16 Ghid de undă de secţiune dreptunghiulară.

Modul de propagare TE (transversal electric), sau unda H se caracterizează prin

Ex = 0; Hx 0 (există componentele Hx , Hz şi Ey ale câmpului, independente de y şi având o

variatie semiciclică cu z).

Modul de propagare TM (transversal magnetic), sau unda E se caracterizează prin:

Ex 0; Hx = 0 (există: Ex , Ey , Hx , Hy ). TE10 - modul fundamental de propagare.

TEmn: m şi n (numere întregi) arată câte semiunde ale curbei de variaţie a câmpului

sunt cuprinse în dimensiunile a şi b ale secţiunii transversale a ghidului.

În cazul undelor cu modul de propagare TMm,n (m, n 0), cea mai joasă frecvenţă TM

ce poate fi transmisă de un ghid de undă rectangular este TM11.

Când frecvenţa are valori suficient de ridicate pentru a permite transmiterea mai

multor moduri (f > fcr ), câmpul rezultant este o superpoziţie a tuturor modurilor.

Ex.:

15

y

O x

za

c

b

x = direcţia de propagare a undei

Ey

az0

Hz

az0

TE20

az0

Ey

0Oaz

Hx

Hz

0Oaz

TE10

Hx

z a 0

m = 1; n = 0 m = 2; n = 0

Fig. 5.17 Configuraţii ale undelor TE10 şi TE20 într-un ghid dreptunghiular.

Fig. 5.18 Liniile de câmp pentru modurile de propagare TE10 şi TE20.

5.4 Circuite de microunde

Energia microundelor este utilizabilă numai cu componente specifice undelor

electromagnetice de înaltă frecvenţă, în cea mai mare parte realizate pe bază de tronsoane de

ghiduri de undă.

Cel mai simplu circuit de propagare a microundelor este prezentat în figura următoare.

1 - magnetron; 2 - antena; 3 - ghid de undă; 4 - aplicator; 5 - material de încălzit.

Fig. 5.19 Circuit de microunde cu sarcina adaptata (a) şi cu sarcina neadaptata (b).

16

1

2

3

4

5

Pi

(a)

4

1

2

3

5

Pi

Pr

(b)

x

xx xx

x

x

x

z

a

TE20

y

x

x

xx x·

··

··

··

x

xx x ·

··

··

··

xx

··

··

xx

xx

xx

x

x

x

xx

x

yx

z

a

Ey

Hx

Ey

Hz

TE10

····

····

····

····

····

····

····

····

····

linii H

linii Hlinii Ey

Antena magnetronului este plasată într-un tronson de ghid de undă prin intermediul

unui orificiu de cuplaj. Unda incidentă se propagă în ghidul de undă până la sarcina instalaţiei,

constituită din aplicatorul în care se plasează produsul de încălzit.

Sarcina este adaptată dacă puterea incidentă Pi este absorbită în aplicator (randamentul

instalaţiei este optim). Sarcina este neadaptată dacă reflectă o parte din puterea incidentă (Pr

este puterea reflectată de sarcină).

Prin suprapunerea undelor incidentă şi reflectată apare o undă staţionară.

Starea de neadaptare a sarcinii este caracterizată prin raportul dintre maximul şi

minimul intensităţii câmpului electric (rata undei staţionare).

Dacă , puterea reflectată de sarcină (Pr) este importantă şi se poate degrada

magnetronul (prin încălzire excesivă) sau poate apare arc electric la nivelul antenei (datorită

valorilor foarte mari ale intensităţii câmpului electric, Emax ).

Soluţii:

(*) Pentru a proteja magnetronul, în zona antenei se poate plasa o diodă fotosensibilă

care sesizează apariţia arcului electric şi determină deconectarea instalaţiei.

(**) Se utilizează un circulator (are rolul de a devia puterea reflectată spre o sarcină

adaptată, care nu va mai determina o undă reflectată).

Fig. 5.20 Circuit de microunde cu circulator:

1 - magnetron; 2 - antena; 3 - ghid de undă; 4 - aplicator; 5 - material procesat; 6 - circulator; 7 - sarcina adaptată.

Observaţie: Circulatorul este un ghid de undă (cu 3 porturi), care cuprinde un circuit

pasiv cu elemente din ferită, aflate într-un câmp magnetic permanent. Ferita prezintă (la nivel

molecular) proprietăţi giromagnetice - indiferent de sensul puterii care intră într-un port, ea

este deviată în acelaşi sens de rotaţie. Circulatorul nu ameliorează randamentul instalaţiei.

(***) Se utilizează un dispozitiv de adaptare reglabil, plasat între magnetron (sau

circulator) şi sarcină; dispozitivul de adaptare reglabil are rolul de a retrimite unda reflectată

spre sarcină (constituie un obstacol pentru unda reflectată).

17

1

2 3Pi

PrPr = 0

Pi

4

5

6

7

5

Fig. 5.21 Circuit de microunde cu dispozitiv de adaptare reglabil realizat cu şuruburi care se introduc mai mult sau mai puţin într-un tronson al ghidului de undă (6 - sistem de adaptare).

5.5 Aplicatoare de microunde

Configuraţia aplicatoarelor de microunde depinde de tipul produselor de tratat, de

modul de procesare (static sau continuu), de asocierea cu alte forme de energie (aer cald,

infraroşii), de ambianţa de lucru (vid sau presiune).

Se disting două mari familii de aplicatoare:

(1). aplicatoare tip ghid de undă, denumite şi aplicatoare monomod;

(2) aplicatoare tip cavitate, denumite şi aplicatoare multimod.

5.5.1 Aplicatoarele de tip monomod- sunt în general elemente metalice sub forma unor tuburi a căror secţiune este fie

dreptunghiulară, fie cilindrică.

Tubul care constituie incinta de tratament este de fapt un ghid de undă prin care se

propagă energia microundelor.

Dimensiunile acestui tip de aplicator sunt alese astfel încât energia microundelor să fie

propagată într-un singur mod.

Materialele supuse încălzirii sunt deplasate în interiorul aplicatorului astfel încât

câmpul electric să se găsească în planul materialului pe una din următoarele direcţii:

I). pe direcţie axială, în sensul propagării microundelor, prin zona de maximă

intensitate a câmpului electric:

- intrarea şi ieşirea materialului din aplicator se realizează prin fante practicate pe latura mică

a ghidului, prevăzut cu filtre de reţinere a scurgerilor de microunde în exterior;

- generatorul de microunde este cuplat la unul din capetele aplicatorului, la celălalt capăt fiind

montată o sarcină absorbantă (nu permite energiei neabsorbite de material să se reflecte înapoi

spre magnetron);

Acest tip de aplicatoare au un inconvenient: se limitează lăţimea materialului procesat

la valoarea lăţimii ghidului.

II). pe direcţie transversală (materialul este deplasat perpendicular pe direcţia de

propagare a energiei microundelor).

18

1

2 3

4

5

6

Pi Pi

Pr

Cele mai răspândite aplicatoare sunt realizate din ghiduri cu fante, numite meandre sau

serpentine, prin care materialul trece succesiv. Aceste aplicatoare sunt prevăzute cu o sarcină

adaptată, montată la capătul serpentinelor (pentru a prelua energia 10% neabsorbită de

materialul procesat).

Aceste aplicatoare sunt folosite pentru uscarea materialelor textile, a hârtiei, a plăcilor

de placaj (se pot usca materiale de lăţimi mari ).

Fig. 5.22 Aplicator monomod pentru materiale sub formă de bandă (tipI):1 - generator de microunde; 2 - ghid de undă; 3 - suport; 4 - material procesat; 5 - adaptare finală.

Fig. 5.23 Aplicator în formă de serpentină. Sistem de încălzire a materialului sub formă de foi (tip II).

5.5.2 Aplicatoarele de tip multimod

19

4

3

21

- dimensiunile aplicatorului reprezintă un multiplu de semilungimi de undă, permiţând

propagarea unor moduri de ordin superior (numărul de moduri de propagare este cu atât mai

mare cu cât dimensiunile aplicatorului sunt mai mari).

- cele mai des utilizate aplicatoare sunt incintele de formă paralelipipedică

Exemplul 1 : Cuptorul casnic cu microunde

Cuptorul casnic cu microunde este cel mai comun tip de cuptor cu microunde. Acesta

conţine un magnetron cu putere în domeniul 5001500 W pentru cuptoarele normale, dar

care pot ajunge până la 3,5 kW la cele de mare capacitate. Magnetronul este alimentat de la o

sursă de curent continuu de înaltă tensiune (de ordinul kilovolţilor), controlată de un sistem cu

temporizator.

Variaţia puterii de încălzire este realizată uzual prin comandă în impulsuri, puterea

maximă obţinându-se la un factor de umplere 1 (funcţionare continuă). Mai există şi un sistem

de aerisire forţată, pentru a preveni acumularea de fum în cavitatea închisă. Majoritatea

acestor cuptoare funcţionează la 2450 MHz, dar există şi modele la 915 MHz pentru piaţa

nord-americană.

Fig. 5.24 Cavitate multimod cu platou rotitor şi dispersor de unde.

Distribuţia câmpului electric în cavitatea cuptorului rezultă prin reflexii multiple ale

undelor pe pereţii metalici ai cavităţii şi pe produsul de încălzit (nu se poate obţine o încălzire

omogenă în întreg volumul cavităţii cu ajutorul unui singur mod, fiind necesar să se

suprapună mai multe moduri).

Dacă câmpul electric este neomogen, încălzirea va fi neomogenă.

Remediile curent utilizate pentru realizarea unei încălziri omogene sunt:

- plasarea produsului de încălzit pe un platou rotitor;

- dispersia microundelor cu ajutorul unui rotor cu palete metalice, plasat la tranziţia ghid –

cavitate.

Datorită popularităţii cuptoarelor casnice cu microunde, există mulţi fabricanţi de

asemenea echipamente. Deşi nu este o regulă, aceştia de obicei nu sunt şi producătorii

20

magnetroanelor pe care le folosesc. Dintre producătorii de cuptoare cu microunde pot fi

menţionaţi Amana, Bosch, Electrolux, Panasonic, Samsung, Sharp, Toshiba, TurboChef,

Whirlpool şi mulţi alţi producători de aparate electrocasnice.

Fig. 5.25 Cuptor Panasonic NE-1064. Fig. 5.26 Cuptor Whirlpool GH7208XR.

În fig. 5.25 este prezentat un cuptor Panasonic NE-1064, de 1kW. Dimensiunile

interioare (ale cavităţii) sunt de 310x310x185 mm3, aproximativ 2,5x2,5x1,5 relativ la

lungimea de undă de 122,45 mm a microundelor. Particular pentru acest cuptor este

alimentarea aplicatorului, care se face pe jos, la majoritatea cuptoarelor aceasta fiind în

dreapta (în spatele panoului de comandă). Controlul este digital şi programabil, având

posibilitatea a 10 programe distincte.

În fig. 5.26 este un cuptor mixt Whirlpool GH7208XR, de 1500 W. Acesta este dotat

şi cu o rezistenţă de încălzire şi un sistem de convecţie forţată, putând funcţiona ca un cuptor

clasic. Este de asemenea dotat cu lampă cu halogen în infraroşu pentru încălzire superficială

intensă (rumenire).

Cuptoarele de laborator sunt aproape identice cu cele casnice, existând însă diferenţe

depinzând de scopul pentru care sunt utilizate. Un exemplu este BP-110, produs de MRA

(SUA, Microwave Research and Application), prezentat în fig. 5.27. Puterea este de 1000 W,

este prevăzut cu un sistem de aerisire care permite cuplarea la un filtru şi/sau evacuarea

gazelor, deoarece în cazul aplicaţiilor cărora îi este destinat (în special laboratoare medicale şi

de ştiinţe biologice) poate rezulta fum toxic sau contaminat biologic.

Fig. 5.27 Cuptor MRA BP-110.

Un cuptor de laborator de putere (3200W) este arătat în fig. 5.28. Şi acesta are aerisire

specială, dar şi posibilitatea de control a puterii în mod continuu (nu prin impulsuri). Există şi

21

posibilitatea de control automat a temperaturii, prin intermediul unui termocuplu special,

ecranat în totalitate. Există patru "agitatoare de mod" în interior, deşi nu sunt vizibile, care

îmbunătăţesc uniformitatea încălzirii prin modificarea modurilor de rezonanţă.

Fig. 5.28 Cuptor MRA BP-211.

Exemplul 2 : Deplasarea pereţilor, în cazul unor cuptoare industriale

Pentru procedeele industriale de tip continuu se utilizează tunele constituite din mai

multe cavităţi multimod una după alta, intrările şi ieşirile fiind echipate etanş în raport cu

energia de microunde.

Fig. 5.29 Cavităţi multimod, în tunel, pentru procedee continue. 1 - magnetron; 2 - antena; 3 - dispersor ; 4 - material procesat; 5 - filtru nedisipativ; 6 - filtru disipativ;

7 - sistem de etanşare la microunde.

22

1 1

2 3

4 5 6

7