Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 8-9/2017 vyšlo
tiskem 5. 9. 2017. V elektronické verzi na webu od 5. 9. 2017. 

Téma: 59. mezinárodní strojírenský veletrh v Brně; Elektrotechnika v průmyslu

Hlavní článek
Palivové články
Renesance synchronních reluktančních motorů
Návrh aktuátoru pracujícího s magnetickým polem

Aktuality

Na veletrhu FOR ARCH najdou lidé na osm stovek expozic a bezplatná poradenská centra Ve dnech 19. – 23. září 2017 se koná 28. ročník mezinárodního stavebního veletrhu FOR…

Technologické Fórum 2017 – jedinečné setkání odborníků stavebního trhu Premiéru na letošním ročníku mezinárodního stavebního veletrhu FOR ARCH bude mít…

Od 1. září začne ve společnosti ČEZ fungovat nová divize Jaderná energetika Šest jaderných bloků, přes dva tisíce zaměstnanců včetně týmu, který zodpovídání za…

FOR ARCH 2017 přinese řadu zajímavých soutěží a konferencí Osmadvacátý ročník mezinárodního stavebního veletrhu FOR ARCH, který se uskuteční ve…

Premiér navštívil hlavní sídlo provozovatele přenosové soustavy Předseda vlády Bohuslav Sobotka a ministr průmyslu a obchodu Jiří Havlíček se přímo na…

Generační změna ve skupině LAPP S účinností od 1. července 2017 odstoupila Ursula Ida Lapp, spoluzakladatelka skupiny…

Více aktualit

Elektrický ohřev mikrovlnný (7)

číslo 5/2005

Elektrický ohřev mikrovlnný (7)

prof. Václav Černý

1. Úvod

Dielektrický ohřev vzniká u elektricky nevodivých nebo málo vodivých materiálů, které jsou vloženy do elektrického pole. Při frekvencích do 500 MHz označujeme tento ohřev jako vysokofrekvenční a nad 500 MHz jako mikrovlnný (obvykle se jedná o frekvence 2,45 GHz).

Obr. 1.

Obr. 1. Uspořádání katody a anody magnetronu (1 – katoda, 2 – vysokofrekvenční výstup s anténou, 3 – směr pohybu daný vnějším magnetickým polem, 4 – anoda, 5 – duté rezonanční prostory, 6 – obíhající svazky elektronů)

Ve vysokofrekvenčním elektromagnetickém poli dochází k polarizaci materiálu a k rozkmitání molekul. Molekuly se chovají jako elektrické dipóly a snaží se sledovat změny elektrické polarity. Molekuly se vzájemně natáčejí a třou o sebe, díky čemuž vzniká v materiálu teplo.

Zdrojem vysokofrekvenčního záření je magnetron. Magnetron je výkonová vakuová elektronka, u které tok elektronů není ovládán mřížkou, ale vnějším magnetickým polem. Magnetron má vyhřívanou střední katodu a železnou válcovou anodu s rezonančními dutinami (obr. 1). Anoda je připojena na zdroj vysokého napětí. Rezonanční dutiny mají stejnou funkci jako indukčně-kapacitní rezonanční obvod LC. Společně s působením vnějšího magnetického pole se elektrony uvedou do vysokofrekvenčních kmitů požadované hodnoty. Z jedné z rezonančních dutin se vyvádí vysokofrekvenční elektromagnetické záření výstupní anténou do prostoru mikrovlnné ohřívací komory, kde se elektromagnetická energie přeměňuje ve vloženém materiálu v tepelnou energii – teplo. Na obr. 2 je nákres magnetronu firmy Philips.

Obr. 2.

Obr. 2. Magnetron Philips (1 – permanentní magnet, 2 – chladicí žebra, 3 – vysokofrekvenční vazební člen, 4 – anténa, 5 – konektor anody a katody, 6 – vysokofrekvenční odstiňovací pouzdro, 7 – termostat)

Prostor komory (obr. 3) je uspořádán tak, aby byl i vnitřek trouby v rezonanci se vstupním vysokofrekvenčním zářením, čímž se zvyšuje účinnost celého zařízení. Od kovových stěn se mikrovlny odrážejí zpět, ale vložkami z plastu procházejí naopak bez omezení. K rovnoměrnému rozptýlení elektromagnetického záření v celém prostoru přispívají i rotující lopatkové reflektory, které se nacházejí v horní části prostoru trouby a jsou odděleny deskou z plastu. Mikrovlny tedy vstupují do ohřívaného materiálu ze všech stran. Energie se k ohřívanému materiálu přivádí přímo, nebo vlnovodem.

Obr. 3.

Obr. 3. Schematické uspořádání mikrovlnné ohřívací komory

Výkon magnetronů se pohybuje v rozmezí od 0,8 do 6 kW. Magnetrony s výkonem asi do 2 kW jsou chlazeny vzduchem, magnetrony s vyššími výkony se chladí vodou, což klade mimo jiné také vyšší nároky na řídicí techniku. Požadavek vyššího výkonu se obvykle řeší paralelním řazením magnetronů o výkonu 1,5 kW, které jsou z cenových důvodů nejvýhodnější. Není výjimkou paralelní zapojení 100 i více magnetronů. Technická životnost magnetronů je 6 000 až 8 000 provozních hodin.

2. Základní princip

Mikrovlnné elektromagnetické záření se řídí stejnými fyzikálními zákony jako velmi krátké nebo radarové vlny. Vloženým materiálem mohou být buď odráženy (kovy), propouštěny (teflon, křemičité sklo, polypropylen), nebo absorbovány (většina ostatních materiálů). Materiály, které mikrovlnné záření absorbují, mohou být mikrovlnami ohřívány.

Pro mikrovlnný ohřev platí základní vztah:

P = 2pfe0e""E2V          (W; –, Hz, F·m–1, –, V·m–1, m3)          (1)
kde P je výkon absorbovaný materiálem, f frekvence, e0 permitivita vakua, (8,854·10–12 F·m–1), e"" imaginární část komplexní relativní permitivity, E intenzita elektrického pole, V objem materiálu.

Hloubka vniku PD (Penetration Depth) je vyjádřena vztahem:

PD = (l0/2p) · (Öe"/Öe"")          (m; –, –, –)          (2)
kde l0 je vlnová délka ve vakuu, e" reálná část komplexní relativní permitivity, e"" imaginární část komplexní relativní permitivity.

Hloubka vniku je definována jako vzdálenost, ve které původní intenzita elektrického pole klesne na hodnotu 1/e (kde „e„ je Eulerovo číslo o hodnotě asi 2,718), tedy přibližně na 37 %. V této části dochází k podstatně většímu ohřevu než ve větších hloubkách.

Mnoho výrobků může být současně ohříváno na povrchu i uvnitř na stejnou teplotu – při konvenčním ohřevu je povrch daleko teplejší než vnitřek materiálu. Velkou výhodou mikrovlnného ohřevu tedy je, že umožňuje velmi rychlé a stejnoměrné prohřátí celého materiálu.

(pokračování)