Rys.1 Rozkład mocy wnikającej do dielektryka przy padaniu fali płaskiej Natężenie pola wewnątrz dielektryka maleje wykładniczo. Określa to wzór: (1)

Transkrypt

1 Temat nr 22: Badanie kuchenki mikrofalowej 1.Wiadomości podstawowe Metoda elektrotermiczna mikrofalowa polega na wytworzeniu ciepła we wsadzie głównie na skutek przepływu prądu przesunięcia (polaryzacji) (i ewentualnie prądu przewodzenia) przez ciało stałe lub ciecz, poddane działaniu promieniowania mikrofalowego o częstotliwości od kilkuset MHz do kilkuset GHz. Energia elektromagnetyczna przenosi się od magnetronu (gdzie jest wytwarzana) poprzez falowód do wnęki rezonansowej w której umieszczony jest wsad. Czasami wsad umieszcza się naprzeciw otwartego końca falowodu. Pole elektromagnetyczne wnikając do wsadu powoduje wystąpienie w nim zjawisk polaryzacji, które prowadzą do przepływu prądu polaryzacji. Jednocześnie występuje zjawisko silnego tłumienia pola elektromagnetycznego i wywołana tym nierównomierność wydzielania mocy cieplnej i nagrzewania. Jeśli płaska fala elektromagnetyczna o gęstości powierzchniowej mocy p (W/m 2 ). pada na dielektryk to część tej mocy (p r ) ulegnie odbiciu, a pozostała moc (p s ) wniknie do dielektryka Rys.1 Rozkład mocy wnikającej do dielektryka przy padaniu fali płaskiej Natężenie pola wewnątrz dielektryka maleje wykładniczo. Określa to wzór: E x x δ = E 0 e (1) gdzie E 0 to natężenie na powierzchni granicznej, a E x na głębokości x. Wielkość δ (mierzona w m) oznacza tzw. głębokość wnikania, określaną jako głębokość, na której natężenie pola E w porównaniu z powierzchnią maleje e-krotnie. Wielkość tą określa wzór δ = π 0,95 10 µ ε ε f tgδ r 1 f tgδ ε r (2) - 1 -

2 gdzie µ 0 i ε 0 to magnetyczna i dielektryczna przenikalność próżni, f częstotliwość pola, a tgδ to współczynnik strat dielektrycznych. Moc wydzielana w jednostce objętości wsadu p v zależy od: - parametrów pola (natężenie E i częstotliwość f), - parametrów wsadu (przenikalność względna elektryczna ε r, współczynnik strat dielektrycznych tgδ), - odległości od powierzchni x. a wzór określający gęstość objętościową mocy p v w odległości x od powierzchni ma postać: p vx 2x δ 12 2 = ε tgδ f E e (3) r 0 Kuchenka mikrofalowa jest urządzeniem przeznaczonym do szybkiego rozmrażania i ogrzewania produktów żywnościowych, rzadziej do ich gotowania i pieczenia. Działanie polega na wykorzystywaniu silnego pola zakresu mikrofal - 2,45 GHz. Mikrofale w kuchence mikrofalowej wytwarzane są przez magnetron zbudowany z katody otoczonej anodą, oraz dwóch magnesów. Katoda, wykonując ruch obrotowy, emituje elektrony, które krążą wokół anody w zmiennym polu elektrycznym i magnetycznym. Do anody podłączone są obwody rezonansowe. Powodują one drganie pola elektromagnetycznego. Tak wytworzone pole emituje energię w postaci promieniowania mikrofalowego. Mikrofale wysyłane są do kuchenki falowodem. Częstotliwość drgań jest tak dobrana, aby oddziaływanie na cząsteczki wody było maksymalne. Pochłanianie energii przez cząsteczki wody powoduje, że drgają one i obracają się. Poprzez zderzenie przekazują energię innym cząsteczkom powodując podgrzewanie umieszczonego w kuchence produktu. Powstające fale elektromagnetyczne odbijają się od ścianek wnętrza kuchenki i powstają w ten sposób fale stojące, które przenoszą różną wartość energii. W "węzłach" występuje E=0, a na wierzchołkach fali E max, z tego powodu produkt umieszczany jest wewnątrz na obrotowym talerzu

3 Zdjęcie oraz budowa magnetronu. Rys. 1 Budowa magnetronu [1] Rys. 2 Magnetron [2] Schemat elektryczny kuchenki mikrofalowej

4 2. Przebieg ćwiczenia 2.1 Wykonać oględziny wnętrza kuchenki mikrofalowej, zapoznać się ze schematem elektrycznym nazwać poszczególne części. Zapoznać się z tabliczką znamionową. Napięcie zasilające [V] Częstotliwość napięcia zasilającego f [Hz] Max moc pobierana z sieci P 1 Max moc użyteczna P 2 Zakres częstotliwości mikrofalowej f [MHz] 2.2 Zbadać sposób regulacji wielkości mocy mikrofalówki. Wstawić do komory 3 szklanki z wodą. Dla 3 kolejnych cykli pracy kuchenki (1 cykl to kolejne załączenie i wyłączenie magnetronu) wykonać pomiary czasu trwania załączenia t z i wyłączenia t w magnetronu oraz pobieranej przez mikrofalówkę w tych okresach mocy P x, dla kolejnych nastaw mocy mikrofalówki. Obliczyć średnią moc P sr dla każdej nastawy. Nastawa Magnetron załączony Magnetron wyłączony Czas cyklu pracy Moc średnia Psr Czas t z [s] Moc P z Czas t w [s] Moc P w T [s] 2.3 Zbadać przestrzenny rozkład mocy w komorze. Badanie przeprowadzić kolejno dla małego (1 szklanka zapełniona w ¾ wodą) i dużego wsadu (9 szklanek zapełnionych w ¾ wodą)

5 2.3.1 Przypadek małego wsadu Wyjąć talerz obrotowy i umieścić w komorze dolną półkę. Zmierzyć masę szkła oraz wody. Szklankę z wodą (wsad) umieścić na pozycji 1 dolnej półki. Po zmierzeniu temperatury wody (przyjmujemy, że szkło ma taka samą temperaturę) nagrzewać wsad pełną mocą przez 30 s mierząc moc pobieraną z sieci; po zakończeniu nagrzewania zmierzyć ponownie temperaturę wsadu. Powtórzyć pomiary dla kolejnych punktów dolnej, a potem górnej półki, korzystając z tej samej szklanki z taką same ilością wody. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli. Obliczyć przyrosty temperatur wody, szkła oraz moce wydzielające się w poszczególnych punktach komory. pozycja wsadu (1 szklanka z wodą) półka... początkowa t p [ o C ] Temperatura końcowa t k [ o C ] dla szkła Q 1 [J] Ilość ciepła dla wody Q 2 [J] moc we wsadzie P Masa szkła Masa wody Razem masa wsadu - 5 -

6 2.3.2 Przypadek dużego wsadu Umieścić w komorze jednocześnie 9 szklanek napełnionych wodą na dolnej półce. Dla każdej szklanki zmierzyć masę szkła, wody oraz jej temperaturę przed nagrzewaniem. Nagrzewać wsad pełną mocą przez 120 s mierząc moc pobieraną z sieci, następnie zmierzyć temperaturę wody w każdej ze szklanek oddzielnie. Powtórzyć pomiar dla wsadu umieszczonego na górnej półce. Obliczyć przyrosty temperatur wody i moce wydzielające się w poszczególnych punktach komory. pozycja wsadu: półka masa szkła masa wody masa wsadu Temperatura początkowa t p [ o C] końcowa t k [ o C] dla szkła Q 1 [J] Ilość ciepła dla wody Q 2 [J] moc we wsadzie na danej pozycji P Moc urządzenia Czas pracy [s] Sumaryczna moc wsadu - 6 -

7 2.4 Zbadać sprawność kuchenki w zależności od wielkości wsadu. Umieścić talerz obrotowy w kuchence. Dla pracy kuchenki na pełnej mocy przez 90 s wykonać pomiary nagrzewania się kolejno: A. ½ szklani wody, B. 1 szklanka wody, C. 3 szklanek wody, D. 6 szklanek wody E. 9 szklanek wody. Przed nagrzewaniem zmierzyć masę szkła, masę wody oraz średnią temperaturę wsadu. W trakcie nagrzewania mierzyć moc kuchenki, a po średnią temperaturę nagrzanego wsadu. Obliczyć przyrosty temperatur i moc wydzieloną we wsadzie. Wyznaczyć wykres sprawności w funkcji masy wsadu w komorze. Wsad Masa Temperatura Ciepło Moc Sprawność Szkła Wody Początkowa Końcowa Szkła Wody m 1 m 2 t p [ o C] t k [ o C] Q 1 [J] Q 2 [J] P η[%] A B C D E 2.5 Badanie nagrzewania się różnych materiałów Dla maksymalnej mocy grzania i czasu 90 s umieścić jednocześnie na obrotowym talerzu po jednej szklance z wodą, kaszą i suchym piaskiem. Zmierzyć masę wsadów, ich temperatury przed i po grzaniu, moc pobieraną z sieci w trakcie nagrzewania. Obliczyć przyrosty temperatur i moc wydzieloną we wsadzie. Wyznaczyć sprawności

8 Wsad Masa Temperatura Ciepło Moc Sprawność Szkła Wody Początkowa Końcowa Szkła Wody m 1 m 2 t p [ o C] t k [ o C] Q 1 [J] Q 2 [J] P η[%] woda kasza piasek 3. Stałe, oznaczenia i wzory Ciepło właściwe Ciepło właściwe kj/kg deg Materiał Woda Szkło Kasza Piasek 4,19 0,67 1,85 0,7 Oznaczenia: m - masa c w - ciepło właściwe t k - temperatura końcowa t p - temperatura początkowa Wzory: Ilość ciepła Q=m*c w *(t k -t p ) ( Q1 Q2 ) Moc wsadu P w = + t Pw Sprawność η = 100 [%] P 4. Literatura urz 1. Hauser J.: Elektrotechnika podstawy elektrotermii i techniki świetlnej. Wyd PP, Poznań, Hering M.: Podstawy elektrotermii cz.ii, WNT, Warszawa, Gozdecki T., Hering M., Łobodziński W.: Elektroniczne urządzenia grzejne. WSiP, Warszawa,