NAGRZEWANIE MIKROFALOWE

Transkrypt

1 INSTYTUT INFORMATYKI STOSOWANEJ POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ Ćwiczenia N 1 NAGRZEWANIE MIKROFALOWE 1.WPROWADZENIE. W mikofalowych uzązeniach gzejnych efekt polayzacji (występujący w śoowiskach ielektycznych i półpzewonikowych) jest wykozystywany o pzekazywania enegii pola elektycznego o wsau bez mechanicznego lub elektycznego kontaktu mięzy źółem i obionikiem. Istnieje uże poobieństwo mięzy nagzewaniem pojemnościowym i mikofalowym. Różnica mięzy tymi ozajami nagzewania wynika ze sposobu opowazenia enegii elektomagnetycznej wielkiej częstotliwości. W nagzewaniu pojemnościowym jest ona opowazana elektoami, a w nagzewaniu mikofalowym falowoem, co wiąże się ze stosowaniem wyższych zakesów częstotliwości. Uzązenia mikofalowe są pzeznaczone o pacy w zakesie częstotliwości ( )GHz (1GHz = 10 9 Hz), a więc znacznie wyższym niż wykozystywany pzy nagzewaniu pojemnościowym (13 40 MHz). Potzeba stosowania tak wielkich częstotliwości wynika z zasay, w myśl któej moc wyzielona we wsazie jest wpost popocjonalna o częstotliwości zmian pola elektomagnetycznego W pzypaku, gy nie jest możliwe zwiększenie mocy popzez zwiększenie natężenia pola elektycznego, ponieważ może to spowoować pzebicie elektyczne wsau, jeyną ogą ealizacji tego celu jest powiększenie częstotliwości pola. Dla uzązeń mikofalowych wyzielone zostały cztey opuszczalne pasma częstotliwości: Pasmo Częstotliwość [MHz] Długość fali [m] I ,328 II ,122 III ,052 IV ,014 Dla celów gzejnych najczęściej wykozystywane jest pasmo II. 2. ZASADA NAGRZEWANIA MIKROFALOWEGO pola elektomagnetycznego pzenoszona pzez mikofale ulega pzekształceniu w ciepło na tej samej zasazie jak pzy nagzewaniu pojemnościowym. Poobnie i tu ecyujące znaczenie w pzekształcaniu enegii elektycznej w ciepło ma zjawisko polayzacji. W związku z bazo małą ługością fali elektomagnetycznej (szczególnie la gónych pasm stosowanych zakesów częstotliwości mikofalowych) występuje tu jenak (poobne jak pzy nagzewaniu inukcyjnym wsaów metalowych) zjawisko silnego tłumienia fali wewnątz wsau.

2 Niech E so oznacza watość natężenia pola elektycznego na powiezchni wsau, wówczas jego ozkła w funkcji oległości x o powiezchni bęzie okeślony zależnością: E x x / E e (1) gzie: - głębokość wnikania fali o wsau (oga na jakiej amplitua natężenia pola elektycznego zostanie e-kotnie zmniejszona) so Intensywność tłumienia natężenia pola elektycznego zależna jest więc o głębokości wnikania, któej watość okeślona jest jenak inną, niż pzy nagzewaniu inukcyjnym, zależnością. Dla tg 0,3 (co pzy nagzewanie mikofalowym występuje w paktyce zawsze), można napisać: (2) o o f tg f tg gzie: o = [H/m] - pzenikalność magnetyczna póżni, o = 8,854*10-12 [F/m] - pzenikalność ielektyczna póżni, - pzenikalność ielektyczna wzglęna mateiału wsau, f - częstotliwość [Hz], tg - współczynnik stat ielektycznych mateiału wsau. Mateiały ielektyczne mogą się bazo óżnić watością głębokości wnikania i tak np. pzy częstotliwości 3 GHz pzyjmuje ona pzykłaowo la lou watość ok cm, poczas gy la steku wynosi ok. 1,7 cm, a la woy (w temp. pokojowej) kilka centymetów. Oznaczmy pzez p s gęstość powiezchniową mocy fali, tj. moc fali w powietzu (w pobliżu wsau) oniesioną o jenostki powiezchni wsau. Gy fala elektomagnetyczna płaska o gęstości powiezchniowej mocy p s panie na ielektyczny wsa to jej część o gęstości mocy P s ulegnie obiciu, a część o gęstości p so wniknie o ielektyka, ys.1, pzy czym: p so = p s - p s (3) p p s p so Rys. 1. Rozkła gęstości mocy wnikającej o ielektyka pzy paaniu fali płaskiej p s gęstość mocy fali paającej, p s - gęstość mocy fali obitej,, p so - gęstość mocy fali wnikającej

3 Wewnątz wsau ozkła gęstość powiezchniowej mocy w funkcji oległości x o powiezchni bęzie okeślony zależnością: p sx 2x / p e (4) so gzie: - głębokość wnikania fali o wsau (na oze tej watość gęstości mocy maleje e 2 azy) Gęstość objętościową mocy wyazić zależnością: p v [W/m 3 ] wyzieloną pzy powiezchni wsau można pzy czym: E - natężenie pola elektycznego [V/m], f - częstotliwość [Hz]. p 55, E 2 tg f (5) v Gęstość objętościowa p vx wyzielona we wsazie w oległości x o powiezchni wynosi więc: p vx 2x / 2x / p e 55,610 tg f E e (6) v 12 2 so Znajomość ozkłau gęstości mocy we wsazie umożliwia okeślenie efektu gzejnego wyażającego się wzostem tempeatuy wsau. 3. PIECE I NAGRZEWNICE MIKROFALOWE W użyciu są wa ozaje uzązeń gzejnych mikofalowych: nagzewnice i piece (kuchenki). Na Rys.2 pzestawiono schemat blokowy kuchenki mikofalowej. Rys.2. Kuchenka mikofalowa.

4 W piecu mikofalowym źółem wytwazającym mikofale jest magneton. Mikofale są tansmitowane z magnetonu o komoy gzejnej pzy pomocy falowou. Wewnątz komoy mikofale obijają się o ścian bocznych, sufitu i na komoy pzenikając wsa. Komoa gzejna w pzypaku nagzewania mikofalowego nazywana jest ezonatoem wnękowym. Ściany ezonatoa nie nagzewają się ponieważ obijają one mikofale. W celu uzyskania baziej ównomienego efektu gzejnego stosuje się wiatak w gónej części komoy gzejnej. Mikofale obijają się o skzyełek wiataka i są w ten sposób ozpaszane. Zwiększenie ównomieności nagzewani można ównież uzyskać popzez obót wsau (talez obotowy). Efekt gzejny można ównież uzyskać umieszczając wsa bezpośenio w falowozie (nagzewnice mikofalowe). Rys. 3. Nagzewnica mikofalowa Na Rys.3 pzestawiono nagzewnicę o suszenia mateiałów w postaci taśmy. Falowó w pzekoju postokątnym ma kształt meanyczny. mikofal jest wpowazana z magnetonu umieszczonym na jenym z końców falowou. Wsa jest pzeciągany pzez szczeliny wycięte w ścianach bocznych falowou i absobuje enegię tylko wówczas, gy znajuje się wewnątz ocinka falowou. Watość tempeatuy niezbęnej o pocesu suszenia eguluje się pzy stałej mocy źóła popzez zmianę pękości pzesuwania wsau oaz zmianę ługości falowou. Jenym z najistotniejszych paametów enegetycznych uzązeń jest ich całkowita spawność elektyczna el. W pzypaku uzązeń mikofalowych jest ona zależna o następującego ciągu pzemian enegetycznych: 50 Hz pą stały enegia w.cz. (magneton) falowó wsa Dla uzązeń elektotemicznych za najistotniejszą należy uznać całkowitą spawność elektotemiczną et ozumianą jako iloczyn spawności elektycznej el oaz spawności cieplnej c : et = el c. Dla uzązeń mikofalowych tak ozumiana spawność całkowita wynosi pzeciętnie o ok. 35% la uzązeń małej mocy (1-5kW) o ok. 65% la uzązeń większej mocy (10-50kW). 4. ZASTOSOWANIE Mikofalowe uzązenia gzejne znajują zastosowanie w pzemyśle, gastonomii, meycynie oaz w gospoastwach omowych. Piece (kuchenki) mikofalowe są stosowane głównie w gastonomii o pogzewania potaw. Ciekawym zastosowaniem mikofal jest nagzewanie w pocesie liofilizacji. Poces ten polega na tzw. zamażaniu osuszającym (poukt zostaje głęboko zamożony i następnie w póżni następuje sublimacja

5 ozpuszczalnika, enegia o sublimacji np. ostaczana ogą nagzewania mikofalowego), co pozwala na magazynowanie pouktów w tempeatuze pokojowej. Zakes zastosowań gzejnictwa mikofalowego jest ozwinięciem gzejnictwa pojemnościowego (zgzewanie folii z twozyw sztucznych, niszczenie szkoników, steylizacji nasion, iatemia itp.). Istnieją także zieziny, w któych mikofalowa technika gzejna znalazła wyłączność: np. nagzewanie pewnych gatunków gumy i kauczuku pzy wulkanizacji, nagzewanie kwi oaz ozmażanie pzechowywanych oganów la celów chiugicznych. 5. BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY PRZY URZĄDZENIACH GRZEJNYCH WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI Eksploatacja uzązeń w.cz. związana jest z występowaniem silnych pól elektomagnetycznych, w któych pzebywanie jest szkoliwe la zowia. Z tego wzglęu stosuje się oganiczenia pomieniowania enegii o otoczenia pzy pomocy wielokotnego ekanowania uzązeń metalowymi siatkami i akuszami blachy. Popawne ziałanie ekanów powinno być okesowo kontolowane popzez spawzanie natężenia pola wokół uzązeń w.cz.. Pacownicy zatunieni pzy uzązeniach gzejnych w.cz. powinni być poawani okesowej kontoli lekaskiej. 6. ZAKŁÓCENIA RADIOELEKTRYCZNE WYWOŁANE PRACĄ URZĄDZEŃ GRZEJNYCH WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI Poczas pacy uzązeń gzejnych wielkiej częstotliwości pewna ilość enegii zostaje ozposzona stając się źółem zakłóceń. Poza pomieniowaniem o częstotliwości oboczej występuje pomieniowanie o częstotliwościach hamonicznych, wskutek czego zakłócenia mogą wystąpić ównież w zakesie fal aiowych i telewizyjnych, zakłócając łączność nawet wiele kilometów o źóła zakłóceń. Pzyczynami zakłóceń aioelektycznych są najczęściej: zły styk mięzy zwiami lub płytami obuowy i jej masą, zbyt uże otwoy wentylacyjne i wzieniki, namienie ługie opowazenia i linie pzesyłowe, złe uziemienie geneatoa lub ekanów. Dopuszczalne poziomy zakłóceń aioelektycznych oaz metoy ich baań pecyzują Polskie Nomy. 7. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest poznanie specyficznych własności nagzewani mikofalowego z uwzglęnieniem jego cech enegetycznych. 8. PROGRAM ĆWICZENIA 8.1. Wyznaczenie spawności całkowitej et. A) Pzy załączonej pełnej mocy kuchenki opowazić o wzenia kolejno 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 l woy w zlewce szklanej. Dla łatwiejszego zainicjowania pocesu wzenia, po osiągnięciu

6 tempeatuy wzenia, umieścić w wozie kształtkę ceamiczną. Wyniki pomiaów zanotować w poniższej tabeli. Masa woy [kg] 0,2 0,4 0,6 0,8 Tempeatua początkowa [ C] Czas nagz. o wzenia [s] Moc pobieana z sieci [W] pobana z sieci E p [J] zakumulowana E a [J] Spawność całkowita et =E a /E p B) Pzy załączonej pełnej mocy kuchenki nagzewać pzez czas..180.s kolejno 0,5 l woy oaz oleju. Pze oaz bezpośenio po zakończeniu pocesu nagzewania pomiezyć tempeatuą nagzewanego meium pzy użyciu temometu tęciowego. W takcie nagzewania pomiezyć moc zasilającego kuchenkę pąu częstotliwości sieciowej. Wyniki pomiaów zanotować w poniższej tabeli. Rozaj meium woa olej Moc pobieana z sieci P [W] Tempeatua początkowa p [ C] Tempeatua końcowa k [ C] pobana z sieci E p [J] Pzyjąć ciepło właściwe oleju ówne c olej =1965 [J/(kg K)], woy c woy =4180 [J/(kg K) zakumulowana E a [J] Spawność całkowita et =E a /E p 8.2. Wykozystanie kuchenki mikofalowej o pogzewania potaw. Spawź efektywność nagzewania óżnych pouktów żywnościowych 9. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW 9.1. A)Wyznaczyć spawność całkowitą et la pzypaków nagzewania óżnych m mas woy. Spozązić wykes et =f(m). Omówić otzymany wykes. B) Wyznaczyć et la pzypaku nagzewania woy oaz oleju oaz omówić pzyczyny występującej óżnicy. Liteatua [1] M. Heing Postawy elektotemii cz1, cz2, WNT Waszawa [2] J. Zgaja Wykłay z Postaw wymiany i geneacji ciepła PYTANIA KONTROLNE 1. Na czym polega nagzewanie mikofalowe? 2. Czym nagzewanie mikofalowe óżni się o nagzewania pojemnościowego? 3. Jakiego ozaju mateiały można nagzewać metoą mikofalową? 4. Jak zbuowana jest kuchenka mikofalowa? 5. Co powiesz o ównomieności nagzewania wsau metoą mikofalową? 6. O czego zależy intensywność nagzewania mikofalowego? 7. Co to jest i o czego zależy głębokość wnikania fali elektomagnetycznej o wsau ielektycznego?