Microundele sursa termica pentru procesele de imbinare

Microundele sursa termica pentru procesele de imbinare

1 Teoria undelor electromagnetice de inalta frecventa

Microundele sunt radiatii electromagnetice cu frecventa ridicata, variind de la 300 MHz la 300 GHz si lungimi de unda cuprinse intre 1 m si 1 mm, situate asadar printre undele radio, a caror existenta a fost mai intai presupusa matematic de Maxwell, apoi verificata experimental in 1885 de catre Hertz. 919e43j

Tabelul 1 Frecventele rezervate pentru utilizarea industrial microundelor

Pentru aplicatii industriale se foloseste in general frecventa de 2450 MHz, iar frecventa de 915 MHz se foloseste in special in America de Nord si de Sud. In Marea Britanie se utilizeaza frecventa de 897 MHz intrucat frecventa de 915 MHz este alocata emisiunilor de televiziune. Pentru celelalte doua frecvente, 5800 si 24125 MHz, costurile energetice sunt deosebit de ridicate.

2 Principiile activarii energetice a particulelor polare

Microundele sunt generate de un dispozitiv electronic numit magnetron. Acesta emite energie radianta de inalta frecventa, cu centri de incarcare pozitiva si negativa care isi schimba directia de miliarde de ori pe secunda. Energia este transmisa in incinta camerei de uscare printr-un tub, numit ghid de unde, cu ajutorul unei antene, in mod asemanator modului de functionare a radarului. Spatiul inchis constituit de peretii metalici ai incintei camerei serveste la reflectarea microundelor si crearea unui sistem de rezonanta. Produsul situat in incinta camerei de uscare cu microunde va capta energia campului de microunde.

Microundele pot fi absorbite, transmise si reflectate. Apa, proteinele, glucidele, lipidele etc., care intra in componenta produselor vegetale, in general, absorb energia campului de microunde in proportie de peste 50 %, restul fiind energie transmisa sau reflectata, in functie de frecventa campului. Incalzirea cu microunde este deci rezultatul interactiunii dintre constituentii probei si campul electromagnetic care isi schimba foarte repede polaritatea. Se prezinta in figura 1 polarizarea corpurilor coloidal capilar poroase.

a. b.

Fig. 1 Polarizarea corpurilor coloidal capilar poroase

a. camp electric nul, b. camp electric nenul

Exista doua tipuri de sarcini: libere si legate. Sarcinile libere se deplaseaza in material si produc astfel fenomenul de conductie ionica; in realitate, ele nu sunt complet libere si pentra a se deplasa intra in coliziune cu particule mai putin mobile, in particular cu particule neutre. Frecventa socurilor transforma energia electrica a undei intr-o multitudine de energii cinetice slabe si dezordonate care formeaza energia termica. O parte din aceasta energie difuzeaza in mediul inconjurator, alta joaca un rol de acumulator de energie, determinat de capacitatea termica masica a produsului. Se prezinta in figura 2 deplasarea sarcinilor libere in camp electric.

Fig. 2 Deplasarea sarcinilor libere in camp electric

3 Proprietatile sursei de microunde

Incalzirea cu microunde este influentata si de proprietatile instalatiei, indeosebi ale sursei de microunde. Impactul fiecareia dintre aceste proprietati trebuie sa fie luat in considerare la proiectarea unui procedeu de prelucrare.

3.1 Frecventa

Cele doua frecvente utilizate in procesarea industriala sunt 915 MHz si 2450 MHz. Lungimile lor de unda in aer sunt 32,8 cm, respectiv 12,2 cm, calculandu-se cu relatia:

    (1)

unde:

λ – lungimea de unda in aer

c = 300000 m/s – viteza de propagare a MW

ν – frecventa MW

Frecventa influenteaza adancimea de penetrare a microundelor intr-un produs. De exemplu, adancimea de penetrare in apa este de circa 2,3 cm la 2450 MHz si 20 cm la 915 MHz. Alegerea frecventei sursei de microunde este importanta deoarece este legata de marimea produsului ce urmeaza a fi incalzit.

3.2 Puterea microundelor si viteza incalzirii

Majoritatea instalatiilor industriale cu microunde lucreaza la puteri ce variaza intre 5 si 100 kW. Cu cat puterea la iesire este mai mare, cu atat incalzirea pentru o anumita cantitate de produs este mai rapida. Viteza incalzirii cu microunde este controlata de obicei prin variatia puterii. Ea este cea mai atractiva caracteristica a incalzirii cu microunde. Totusi, aceasta este o sabie cu doua taisuri, intrucat este posibil ca produsul sa fie incalzit prea repede si sa nu fie timp pentru desfasurarea reactiilor biochimice specifice procesului de uscare. Daca un proces de uscare se realizeaza intr-un timp prea scurt, are loc generarea unei presiuni a vaporilor intr-un ritm mai mare decat cel al eliminarii lor din produs. Rezulta astfel o expansiune marita a vaporilor, urmata de ruptura sau chiar explozie. De asemenea, poate avea loc o distribuire neuniforma a temperaturii. Marirea timpului necesar desfasurarii procesului se realizeaza cel mai usor prin reducerea puterii; cu toate acestea procesul se va desfasura mult mai repede decat in varianta conventionala.

In general instalatiile de 915 MHz folosesc un singur magnetron cu putere variind intre 25 si 50 kW datorita absentei surselor de putere, mica la aceasta frecventa, in schimb, cele mai multe instalatii de 2450 MHz sunt multimodulare, folosind o serie de magnetroane cu putere individuala cuprinsa intre 2,5 si 3 kW. In acest al doilea caz este foarte usoara alegerea puterii corespunzatoare vitezei dorite a procesului prin cuplarea numarului necesar de magnetroane.

Puterea absorbita la o anumita distanta x de la suprafata produsului este data de relatia:

    (2)

unde:

P_x – puterea absorbita la distanta x de la suprafata;

P₀ – puterea incidenta in spatiu liber;

x distanta de la suprafata produsului;

a – coeficient de transfer termic.

3.3 Factorii care influenteaza incalzirea cu microunde

Incalzirea cu microunde este influentata de o serie de proprietati ale materialului supus incalzirii si de proprietati ale instalatiei, respectiv sursei de microunde.

unde:

– constanta dielectrica complexa;

constanta dielectrica absoluta sau partea reala a constantei dielectrice complexe;

– partea imaginara a constantei dielectrice complexe;

j coeficientul partii imaginare a unui numar complex.

Factorul de pierdere dielectric este componenta partii imaginare a permitivitatii complexe. El este o masura a capacitatii unui material de a disipa energie electrica. Alimentele cu factori de pierdere mari sunt incalzite mult mai repede cu microunde. Cele doua marimi pot fi reprezentate in coordonate carteziene pentru un condensator non-ideal, ca in figura 4.

Fig. 4 Reprezentarea in coordonate carteziene a partii reale si imaginare

Tangenta la pierdere este raportul dintre factorul de pierdere si constanta dielectrica. Ea este legata de capacitatea materialului de a fi penetrat de un camp electric si de a disipa energia electrica sub forma de caldura. Proprietatile dielectrice ale alimentelor variaza cu temperatura si frecventa la care se realizeaza procesul, in multe situatii proprietatile dielectrice ale materialelor fiind dependente de continutul de umiditate. Astfel, microundele au o adancime de penetrare mai mica in materialele cu continut mai mare de umiditate.