I PRINCIPI DEL RISCALDAMENTO A MICROONDE

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1 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

2 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

3 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

4 SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE BASSE FREQUENZE RADIO - FREQUENZE MICROONDE Telecomunicazioni Radar Strumentazione Appl. industriali INFRAROSSO RADIAZIONE LUMINOSA RADIAZIONI IONIZZANTI UV Raggi X Raggi g MHz (l = 1 m) 300 GHz (l = 1 mm) Frequenza in Hz 50 Hz Distribuzione energia elettrica 2.45 GHz Riscaldamento industriale

5 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 (infrarosso e oltre) (microonde) Perdita magnetica nei materiali magnetici perde importanza al crescere della frequenza

6 DIELETTRICI POLARI + molecola asimmetrica centri delle cariche positive e negative

7 POLARIZZAZIONE PER ORIENTAMENTO CAMPO ELETTRICO CAMPO ELETTRICO

8 Caratterizzazione e.m. dei materiali non magnetici ε' (costante dielettrica ) effetto della perdita per conduzione picco perdita dielettrica di rilassamento e' e" perdita per assorbimento atomico H 2 O a 25 o C ε (fattore di perdita elettrico ) GHz La densità della potenza termica sviluppata nel materiale dipende dal fattore di perdita W diss f ε E 2 la velocità di propagazione e la lunghezza d onda dentro i materiali dielettrici dipendono prevalentemente dalla costante dielettrica

9 Penetrazione delle onde elettromagnetiche nella materia onda incidente onda trasmessa 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

10 Penetrazione delle onde elettromagnetiche nella materia La densità della potenza termica sviluppata nel materiale è maggiore vicino alla superficie Si ha dove tan q = e e d = 0.11 l tan q (tangente di perdita) L onda si attenua tanto più lentamente quanto minore è la tangente di perdita W diss 1 2 W 0 W 0 0 d onda trasmessa ARIA MATERIALE

11 Tangente di perdita e distanza di penetrazione in alcuni materiali MATERIALE f [GHz] T [ C] e l [cm] tangd d [cm] cemento secco 1,0 25 6,57 11,7 0,53 2,42 cemento umido 1, ,2 8,26 0,48 2,11 patata (78% di acqua) 3,0 25 8,1 3,51 0,38 1,02 manzo crudo 3, ,3 1,43 0,28 0,56 manzo surgelato 2, ,4 4,77 0,12 4,37 resina epossidica 1, ,32 0, poliestere 8,5 25 3, , ,5 allumina pura 3,7 25 9,02 2,70 0, ,56 0, ,3 teflon 2, , ,

12 EFFETTO DELLA INTERFERENZA FRA DUE ONDE ARIA D ARIA λ 0 /4 lastra irraggiata sulle due facce D = 2λ tanθ = 0.11 (d = λ)

13 THERMAL RUNAWAY Materiale irraggiato W diss f ε E 2 ε T crit temperatura

14 STRUTTURA SCHEMATICA DI UN SISTEMA DI RISCALDAMENTO A MICROONDE Requisiti degli applicatori GENERATORE (Magnetron) Guida d onda APPLICATORE 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.)

15 ESEMPI DI APPLICATORI MONO-MODALI materiale lastra di materiale guida d'onda fessurata generatore guida d'onda a meandro direzione di propagazione campo elettrico carico adattato campo elettrico cavità risonante mono-modale materiale materiale alimentazione guide d'onda "ridged"

16 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

17 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 I convenzionali vantaggi economici di riscaldamento dipendono da grande quantità di materiali, fra i quali riduzione dei tempi di trattamento aumento Penetrazione della resa della radiazione (generazione del calore all interno) compatibilità Gomme ambientale Distribuzione controllabile dello sviluppo del calore nel materiale Polimeri Riscaldamento rapido Ceramiche Le caratteristiche Riscaldamento delle selettivo microonde nei generano corpi costituiti anche da nuovi sostanze problemi diverse e spunti per Materiali compositi nuove Creazione attività di ricerca, di gradiente poiché inverso alcuni della materiali temperatura sono difficili da trattare Legname, carta corpi conduttori massicci, a causa della scarsa penetrazione materiali Terreni isolanti a bassa perdita, che sono difficili da scaldare partendo dalla temperatura Rifiuti ambiente alcuni Sostanze materiali chimiche presentano il pericolo di thermal runaway Sostanze alimentari

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