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
