I PRINCIPI DEL RISCALDAMENTO A MICROONDE
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I PRINCIPI DEL RISCALDAMENTO A MICROONDE Prof. Paolo ARCIONI Dipartimento di Elettronica – Università di Pavia UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI MODENA E REGGIO EMILIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DEI MATERIALI E PER L’AMBIENTE Giornata di studio sul tema: La tecnologia a microonde e l’innovazione industriale Modena, 15 Marzo 2002 VANTAGGI Fornisce nuovi metodi per migliorare le caratteristiche fisiche dei materiali Fornisce un’alternativa per trattare materiali difficili da trattare Riduce l’impatto ambientale del trattamento dei materiali Dà luogo a vantaggi economici attraverso il risparmio di energia, spazio e tempo Permette di produrre nuovi materiali non ottenibili con altri metodi DIFFICOLTA’ Applicazione non banale Problemi da superare fortemente dipendenti dalla specifica applicazione Necessità di competenze multidisciplinari: • scienza e ingegneria dei materiali • ingegneria delle microonde • sicurezza e EMC BASSE FREQUENZE RADIO FREQUENZE MICROONDE INFRAROSSO • Telecomunicazioni • Radar • Strumentazione • Appl. industriali 10 102 106 107 108 109 1010 1011 300 MHz (λ λ = 1 m) 50 Hz Distribuzione energia elettrica 2.45 GHz Riscaldamento industriale 1012 300 GHz (λ λ = 1 mm) 1013 1014 RADIAZIONE LUMINOSA SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE 1015 RADIAZIONI IONIZZANTI UV Raggi X Raggi γ Frequenza in Hz MECCANISMI FISICI DI CONVERSIONE DELL’ENERGIA ELETTROMAGNETICA IN CALORE Perdita per conduzione • nei metalli • nei dielettrici con impurità ioniche • perde importanza al crescere della frequenza Perdita dielettrica • anche nei materiali isolanti • per assorbimento atomico • di rilassamento dipolare Perdita magnetica (infrarosso e oltre) (microonde) • nei materiali magnetici • perde importanza al crescere della frequenza DIELETTRICI POLARI + – molecola asimmetrica centri delle cariche positive e negative POLARIZZAZIONE PER ORIENTAMENTO CAMPO ELETTRICO CAMPO ELETTRICO Caratterizzazione e.m. dei materiali non magnetici effetto della perdita per conduzione 100 ε' (costante dielettrica ) 10 picco perdita dielettrica di rilassamento perdita per assorbimento atomico ε' o H 2O a 25 C ε" ε ′′ (fattore di perdita elettrico ) 1 0.1 La densità della potenza termica sviluppata nel materiale dipende dal fattore di perdita Wdiss ∝ f ε ′′E 2 1 10 100 1000 10000 GHz la velocità di propagazione e la lunghezza d’onda dentro i materiali dielettrici dipendono prevalentemente dalla costante dielettrica Penetrazione delle onde elettromagnetiche nella materia onda trasmessa onda incidente onda riflessa La riflessione è tanto maggiore quanto più sono elevati la costante dielettrica e il fattore di perdita elettrica L’onda trasmessa si attenua cedendo energia al materiale ARIA MATERIALE Penetrazione delle onde elettromagnetiche nella materia La densità della potenza termica sviluppata nel materiale è maggiore vicino alla superficie W diss Si ha d= W0 0.11 λ dove tan θ = ε ′′ ε ′ tan θ (tangente di perdita) onda trasmessa 1 2 W0 0 L’onda si attenua tanto più lentamente quanto minore è la tangente di perdita ARIA d MATERIALE Tangente di perdita e distanza di penetrazione in alcuni materiali MATERIALE cemento secco cemento umido patata (78% di acqua) manzo crudo manzo surgelato resina epossidica poliestere allumina pura teflon f [GHz] T [°C] 1,0 1,0 3,0 3,0 2,45 1,0 8,5 3,7 2,43 25 25 25 20 –20 25 25 25 700 25 ε’ λ [cm] tangδ d [cm] 6,57 13,2 8,1 48,3 4,4 3 3,12 9,02 10 2,02 11,7 8,26 3,51 1,43 4,77 17,32 2.00 2,70 2,56 8.69 0,53 0,48 0,38 0,28 0,12 0,015 0,0028 0,00076 0,00930 0,00042 2,42 2,11 1,02 0,56 4,37 127 78,5 391 30,3 2275 EFFETTO DELLA INTERFERENZA FRA DUE ONDE D ARIA ARIA λ0/4 lastra irraggiata sulle due facce D = 2λ tanθ = 0.11 (d = λ) THERMAL RUNAWAY Materiale irraggiato Wdiss ∝ f ε ′′E 2 ε ′′ Tcrit temperatura STRUTTURA SCHEMATICA DI UN SISTEMA DI RISCALDAMENTO A MICROONDE Requisiti degli applicatori GENERATORE Guida d’onda APPLICATORE (Magnetron) • uniformità e rapidità del riscaldamento • sicurezza • affidabilità • ripetibilità delle prestazioni • economicità del trattamento Gli applicatori possono essere progettati • per trattamenti continui • per trattamenti discontinui (batch) • per operare in ambienti particolari (vuoto, alta pressione, ecc.) • per coesistere con altri sistemi di riscaldamento (aria calda, infrarosso, ecc.) ESEMPI DI APPLICATORI MONO-MODALI materiale lastra di materiale generatore guida d'onda a meandro guida d'onda fessurata direzione di propagazione campo elettrico campo elettrico carico adattato cavità risonante mono-modale materiale materiale alimentazione guide d'onda "ridged" APPLICATORI MULTI-MODALI • sono caratterizzati da dimensioni molto maggiori della lunghezza d’onda • il materiale viene irraggiato da onde provenienti da un gran numero di direzioni • il riscaldamento è reso abbastanza uniforme usando “agitatori di modo” e/o tenendo in moto il materiale Caratteristiche • corpi voluminosi • adattabilità a trattamenti sia continui che discontinui • efficienza moderatamente elevata • buona uniformità di riscaldamento IN CONCLUSIONE ……. Queste caratteristiche, anche in combinazione, presentano opportunità non Le microonde posseggono parecchie caratteristiche inesistenti nei sistemi disponibili nei metodi convenzionali di riscaldamento e di trattamento di una Iconvenzionali vantaggi economici dipendono da di riscaldamento grande quantità di materiali, fra i quali • riduzione dei tempi di trattamento • aumento della resadella radiazione (generazione del calore all’interno) • Penetrazione • Gomme ambientale • compatibilità • Distribuzione controllabile dello sviluppo del calore nel materiale • Polimeri • Riscaldamento rapido • Ceramiche Le caratteristiche delleselettivo microonde ancheda nuovi problemi e spunti per • Riscaldamento nei generano corpi costituiti sostanze diverse • Materiali compositi nuove attività di ricerca, poiché alcuni della materiali sono difficili da trattare • Creazione di gradiente inverso temperatura • Legname, carta • corpi conduttori massicci, a causa della scarsa penetrazione • Terreniisolanti a bassa perdita, che sono difficili da scaldare partendo dalla • materiali • Rifiuti temperatura ambiente • Sostanze chimiche • alcuni materiali presentano il pericolo di “thermal runaway” • Sostanze alimentari
