Различия между радиочастотным и микроволновым оборудованием

в процессе нагрева и технологии сушки.

Введение.

Радиочастотный процесс(RF) и микроволновый процесс (MF) являются «эндогенными» или «объемными» способами нагрева. Это означает, что энергия нагрева не передается внутрь продукта через поверхность от наружного источника нагрева – так как это обычно происходит при нагреве благодаря теплопроводности, конвекции и излучении – а скорее генерируется непосредственно своей массой, благодаря преобразованию энергии электромагнитного поля осциллятора работающего на подходящей частоте в тепловую энергию.

Хотя процессы нагрева при радиочастотном и микроволновом способе похожи и одинаково эффективны во многих областях применения, последующий материал покажет некоторую существенную разницу между двумя технологиями. Специфичные и уникальные особенности RF технологии и оборудования делают эту технологию наилучшей, а часто только единственно применимой  в определенных технологических процессах.

Излишне говорить, что во всех случаях, где продукт и/или процесс не подходит для использования (RF) технологии, микроволновая технология (MW) может быть реальной альтернативой традиционному методу нагрева.

Рабочая частота и глубина проникновения

Радио частоты имеют рабочие частоты в диапазоне от десятков мегагерц. Частота, которая обычно используется в промышленном оборудовании 27мГц, соответствует длине волны 11м.

Микроволны имеют частоты в диапазоне от тысяч мегагерц (гигагерц). Наиболее часто рабочей частотой MW оборудования для домашнего или промышленного использования, является частот 2450 МГц, что соответствует длине волны около 12 см.

Простое, но эффективное «правило большого пальца» утверждает, что неионизирующие электромагнитные волны (к которым принадлежат RF, MW, IR и т.д.) могут проникать сквозь плотный материал на глубину до 1/10 от их длины волны. Это означает, что радиочастоты могут легко и равномерно нагреть продукт, размеры которого находятся в пределах метра, микроволны могут проникнуть только на небольшую глубину (слой), в пределах сантиметров. Возможность нагрева больших продуктов с помощью микроволн, зависит, в конечном счете, от возможности передачи тепла от наружных слоев продукта к внутренним слоям, что является типичным механизмом проводимости и конвекции в конвекционных системах нагрева.

Чтобы выйти за пределы ограничения проникающей способности микроволн и, следовательно, невозможности быстрого и равномерного нагрева продукта, размеры которого больше чем несколько сантиметров, очень часто используется более низкая рабочая частота, обычно 896 МГц или 915 МГц (длина волны при этом около 33 см и проникающая способность несколько сантиметров) что, однако, может быть использовано только в нескольких странах (например, Великобритания) или только после получения специального разрешения, так как использование данных частот большей частью не соответствует большинству международных стандартов.

Следовательно, промышленное использование микроволновой технологии ограниченно размерами продукта и используется для продуктов, имеющих небольшие размеры. При этом  длительный процесс обработки и плохое распределение температуры могут быть допустимы, что является типичным для конвекционного метода нагрева. Радио частоты, наоборот, могут широко использоваться для продуктов имеющих практически любые размеры, от сушки сухариков, крекеров, имеющих толщину несколько миллиметров до сушки кипы шерсти весом около 200 кг каждая.

Перенос энергии и равномерность нагрева

Помимо неравномерности термической обработки по причине ограничения глубины проникновения микроволн, есть другой фактор, являющийся причиной неравномерного распространения температуры внутри продукта. Это механизм передачи энергии от источника (генератора) к продукту. Как и бытовом, так и в промышленном оборудовании, микроволны генерируются магнетроном и достигают зоны применения («полости»), где размещен продукт, который должен быть обработан, через направляющие волн. Обычно, энергия переносится в полость «точечным» путем и поглощается нагреваемым продуктом с помощью «прямых» волн или «непрямых» волн, отраженными от полости. Энергия типа «MW»  «бьет» продукт нерегулярно (неравномерно) в зависимости от его положения в полости и геометрии самой полости.

Для устранения данной неравномерности, микроволны перемешиваются специальным устройством и продукт внутри полости должен постоянно перемещаться с помощью вращающейся тарелки или конвейерной ленты. Однако, перенос энергии остается явлением, которое не может точно контролироваться и очень часто является причиной неравномерной обработки и распределения температуры, что, в конечном счете, влияет на конечный результат.

Напротив, в случае радиочастотной обработки, энергия, требуемая для обработки, поступает от генератора на пару электродов, геометрия которых разрабатывается и устанавливается согласно форме и размеру продукта. Электроды фактически являются противоположенными пластинами конденсатора, а продукт, расположенный между ними, диэлектриком, который, в зависимости от своих физико-химических свойств, поглощает энергию равномерно и разрозненно, независимо от формы и размера.

Поглощение энергии и избирательность.

Энергия радиочастотных и микроволновых полей поглощается различными продуктами как последствие «диэлектрических потерь» происходящих внутри них. Каждый материал имеет свой коэффициент диэлектрических потерь, который зависит от химических, физических и морфологических характеристик, а также имеет различные значения по отношению к вышеуказанным характеристикам и к частоте материала.

На более высоких частотах, типичных для микроволновых процессов, разница коэффициентов потерь для различных продуктов (или различных этапов/материалов, формирующих продукт) обычно намного меньше, чем на более низких частотах, типично для RW волн. Это означает, что радио частоты намного более избирательны при нагреве продуктов с различными химическими, физическими, морфологическими свойствами, что дает возможность легче контролировать термическую обработку различных материалов. Эти характеристики очень полезна при сушке, так как коэффициент диэлектрических потерь воды (особенно если она содержит виды ионов, даже в небольшом количестве) намного выше, чем  в одной из всех возможных субстратов в которых она может быть найдена (текстильные волокна, пищевые продукты, дерево и т.д.) радио частота может быть поглощена влажным материалом высушенном избирательным образом, таким образом, получается процесс сушки, который будет очень коротким, эффективным и с очень высоким качеством результатов, принимая во внимание, что субстрат будет применен в обработке (передаче энергии) не прямо, и таким образом предельным способом.

Такая избирательность не может быть получена с помощью микроволн и поэтому подавляющее большинство индустриального оборудования для сушки работающего в различных областях промышленности использует радиочастотную технологию. Применение  сушка с помощью микроволн имеет ряд ограничений, обычно в лабораторных измерениях или экспериментального оборудования и обычно требует сочетания с другими технологиями, такими как циркуляция теплого воздуха, вакуум и т.д.

С другой стороны существуют некоторые области применения, где необходимо нагревать продукты. Состоящие из различных материалов/фаз, имеющих различные коэффициенты диэлектрических потерь (пастеризация или приготовление готовых блюд).  В этих случаях, селективность радиочастот является недостатком, делая их использование неудобным или невозможным, в то время как микроволны могут быть эффективно использованы как реальная альтернатива (очень часто, как единственная) обычным методам тепловой обработки.

Блок питания генераторов.

Генератор радио частот для промышленного использования состоит из цепи осциллятора с вакуумными клапанами (триодами), которые могут доставить энергию до ста киловатт или более. Обычно достаточно одного  или двух генераторов для достижения необходимой выходной мощности необходимой для тепловой обработки или сушки для производственных линий в различных областях промышленности. Ограниченное число требуемых генераторов позволяет легко контролировать передачу энергии к продукту и затраты на единицу оборудования могут быть относительно низкими.   

Наоборот, магнетроны, используемые для генерирования микроволн, могут передать энергию только до нескольких киловатт (обычно около 1 -2 кВт, редко более при частоте 2450 МГц). Это правда. Что низкая стоимость одиночного магнетронов и их производство для индустриальных целей делают MW технику очень конкурентоспособной для небольшого домашнего использования. Но использование этой технологи в промышленных линиях, где требуется высокая мощность, неудобно по причине  очень сложного контроля за энергии, поставляемой к продукту (требуется очень аккуратный контроль над большим количеством магнетронов) а также связанных с этим расходов.

В частности,  с технической точки зрения очень тяжело и дорого контролировать десяток или даже сотню магнетронов, даже используя стойку модуляции питания или используя режим вкл.\выкл. с переменным временем работы для регулировки передаваемой мощности.

Это является еще одной причиной широкого распространения радиочастотной технологии в промышленности, в то время как микроволновая технология очень популярна для использования в небольшом домашнем оборудовании.

Регулировка мощности и гибкость в использовании.

Согласно простому, но эффективному объяснению, радиочастотный генератор может быть рассмотрен, как «преобразователь» электрической энергии. Из сети подается питание частотой 50Гц, напряжение повышается до нескольких тысяч вольт и частота до нескольких миллионов герц. Таким образом, нормальное электричество преобразуется в другую форму «электрической энергии», которая  может быть израсходована внутри продукта виде тепла. Это сделано в электрическом конденсаторе так, что энергия передается на пару  или более параллельных металлических пластин (электродов) от источника (генератора). Но эта энергия не может быть передана (использована) через диэлектрический материал, который поглощает (рассеивает) ее. Диэлектрический материал помещается между электродами. Таким образом, можно сказать, что радио частота это вид энергии, который «делается доступным» продукту, а не «поставляется» или «воздействует»  на него. Фактическая энергия, поглощенная продуктом, может быть легко модулирована в соответствии с требованиями процесса посредством настройки рабочих параметров электродов (напряжение и расстояние).

Радиочастотная энергия поставляемая (поглощаемая) продукту может быть очень точно дозирована. Более того, в некоторых областях применения, например сушка, система продукт-генератор практически саморегулируема, в том смысле, что чем больше содержание влаги, тем больше поглощение энергии и наоборот. Поэтому, неравномерность влаги внутри продукта автоматически уменьшается так же, как и риск пересушки/перегрева, что может быть причиной повреждения поверхности.

С другой стороны, магнетрон можно рассматривать, как излучатель электромагнитной энергии, где количество заранее определенно (это может быть номинальная мощность или устанавливаться время от времени системой управления). Очевидно, что энергия, однажды генерируемая, не может быть аккумулирована (сохранена) в пустом пространстве (воздухе) и, поэтому, должна быть израсходована/рассеяна. Поэтому, любой продукт, помещенный в полость, где энергия получается с помощью магнетрона, поглотит его полностью. Но, если полость пуста, энергия идет обратно на магнетрон  может повредить его.  Это является основной причиной, по которой не рекомендуется включать микроволновую печь, когда внутри ничего нет.

Очень легко понять, почему так сложно аккуратно контролировать процесс нагрева или сушки микроволнами: всегда должно быть известно точное количество продукта, находящегося в полости для обработки, быть в состоянии определить общий термический эффект. Поставляемая энергии должна регулироваться постоянно, с помощью устройства модуляции с блока управления или с помощью включения и выключения каждого магнетрона с определенными интервалами, которые рассчитываются, время от времени. 

Например, в случае непрерывного процесса, осуществляемого в туннеле, продукт будет подаваться ровно и регулярно, иначе, в случае «пустого пространства», конкретная энергия, поглощаемая вокруг продукта, будет пропорционально больше и не соответствовать заранее заданным параметрам процесса, то есть возникнет риск перегрева и возгорания. Это не может произойти в оборудовании, работающем на радио частотах: при однажды установленных параметрах, оборудование поставляет к продукту одинаковое количество энергии (кВт/кг), несмотря на подаваемое количество продукта.

Эффективность и расход энергии

Хотя энергетическая эффективность радиочастотного и микроволнового генератора сравнима (приблизительно 65-70%) рабочий режим и феномен отраженной энергии в микроволновом оборудовании делает общую энергетическую эффективность около 55% по сравнению с 60-65% в радиочастотном оборудовании.

Поэтому в результате при использовании радиочастотного оборудования сохраняется 10-15% энергии по сравнению с микроволновым оборудованием.

Покупка и эксплуатационные расходы.

Как уже было упомянуто, микроволновые печки для домашнего использования конкурентоспособны по цене благодаря производству в промышленных масштабах магнетронов и их электронного контроля.

Это совершенно разные вещи в случае промышленного оборудования. Цена радиочастотного оборудования становится очень конкурентоспособной по сравнению с ценой микроволнового, благодаря высокой мощности генераторов и простоте электронного управления.

Также при рассмотрении цены на техническое обслуживание, использование радиочастотного оборудования более удобно благодаря меньшему количеству «критических» компонентов, которые требуют периодической замены (один или два триода после 15000 рабочих часов у радиочастотного оборудования, по сравнению с 10 или 100 магнетронов после 5000 часов работы у микроволнового).

Излучение электромагнитных полей и безопасность

Микроволны, которые имеют короткую длину волны, особенно агрессивны, и от них очень трудно защититься. Любая щель или отверстие большее 1/10 длины волны может быть причиной утечки, которая является недопустимой согласно требованиям безопасности, установленными международными стандартами.

По этой причине необходимо чтобы микроволновое оборудование было полностью закрыто металлическим кожухом, даже инспекционные окна должны быть соответственно защищены с помощью вставленных тонких металлических сеток. Поэтому в случае непрерывного промышленного процесса, оборудование должно иметь открывающиеся двойные ставни или гибкую металлическую экранированную систему для предотвращения прямого контакта между внешней средой и полостью пока продукт перемещается внутрь или наружу.  В качестве альтернативы могут использоваться длинные экранированные ворота, оборудованные микроволновыми отражающими и поглощающими материалами. Однако, их эффективность не может быть гарантирована при всех рабочих условиях.

Радио частоты, наоборот, имеют  более «длинную» длину волны, что делает их значительно менее агрессивными,  они могут быть легче экранированы, а уровень излучения соответствует требованиям международных стандартов. В частности, возможно использование открытых туннелей для обработки продукта без какой-либо защиты, даже при мощности генератора 100 кВт и выше и при работе на полную мощность. Добавляются входные и выходные отверстия для продукта длиной 1 метр и достаточная отражающая поверхность по периметру.