UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
PROTÓTIPO DE FORNO INDUSTRIAL POR MICROONDAS
TM - 01 - 2001
AUTOR: EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA
UFPA/CT/PPGEE
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ
BELÉM – PARÁ – BRASIL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
PROTÓTIPO DE FORNO INDUSTRIAL POR MICROONDAS
DISSERTAÇÃO
DE
MESTRADO
SUBMETIDA
À
BANCA
EXAMINADORA,
APROVADA PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA ELÉTRICA DO CENTRO TECNOLÓGICO DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO PARÁ, COMO REQUISITO PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA NA ÁREA DE ELETROMAGNETISMO
APLICADO.
AUTOR: EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA
UFPA/CT/PPGEE
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ
BELÉM – PARÁ – BRASIL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
PROTÓTIPO DE FORNO INDUSTRIAL POR MICROONDAS
AUTOR: EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA À BANCA EXAMINADORA,
APROVADA PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA ELÉTRICA DO CENTRO TECNOLÓGICO DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO PARÁ, JULGADA ADEQUADA PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
MESTRE EM ENGENHARIA
ELÉTRICA NA ÁREA DE ELETROMAGNETISMO
APLICADO.
APROVADA EM 19 / 01 / 2001.
BANCA EXAMINADORA:
__________________________________________
Prof. Dr.-Ing. João Tavares Pinho (UFPA)
Orientador
__________________________________________
Prof. Dr. Alfredo Gomes Neto (CEFET/PB)
Membro
_________________________________________________
Prof. Dr. Gervásio Protásio dos Santos Cavalcante (UFPA)
Membro
__________________________________________
Prof. Dr. Rubem Gonçalves Faria (UFPA)
Membro
Visto:
__________________________________________
Prof. Dr. Tadeu da Mata Medeiros Branco
Coordenador do PPGEE / CT / UFPA
AGRADECIMENTOS
A Deus pelo dom da vida.
A minha esposa, Leni, e a meus filhos, Elisa e Edinaldo, pelo carinho e compreensão
dedicados.
A meus pais, José e Iraides, e a meus irmãos, Edivaldo, Evaldo e Ivanilde, pelo apoio
incondicional em todos os momentos de dificuldades.
Ao meu amigo e orientador João Tavares Pinho, pelas idéias que muito contribuíram
para a conclusão deste trabalho.
Aos colegas do Departamento de Engenharia Elétrica, pelo incentivo na realização
deste trabalho.
A todos os alunos bolsistas do GEDAE que ajudaram na montagem e nos testes do
protótipo.
Aos meus amigos Ângela e Sílvio, pela permanente ajuda dispensada.
iv
RESUMO
Este trabalho apresenta o projeto de um protótipo de forno por microondas construído
com a finalidade principal de processar peças à base de papel prensado, usadas na indústria de
embalagens. Entretanto, respeitando-se as dimensões e a potência disponível no aplicador, o
forno pode ser utilizado para processar outros materiais de formas e composições diferentes.
São discutidas também a utilização de válvulas magnetron de uso doméstico em escala
industrial e alterações na fonte de alimentação dessas válvulas. Os testes com o protótipo,
ainda que preliminares, serviram para mostrar a viabilidade técnica de uma alternativa de
processamento que pode vir a ser bastante útil quando aplicada em pequenas indústrias.
v
ABSTRACT
This paper presents the design of a microwave oven prototype constructed with the
main objective of processing pieces of pressed paper, used in the packing industry.
Nonetheless, considering the dimensions and the power available in the applicator, the oven
may be used to process other kinds of materials with different shapes and compositions. The
use of domestic magnetron tubes in industrial applications and modifications in the driving
power of such tubes are also discussed. The tests with the prototype, although preliminary,
showed the technical feasibility of an alternative processing method that can be very useful
when applied to small industries.
vi
SUMÁRIO
Agradecimentos....................................................................................................................
iv
Resumo.................................................................................................................................
v
Abstract................................................................................................................................. vi
Sumário................................................................................................................................. vii
Lista de Figuras.....................................................................................................................
viii
Lista de Tabelas....................................................................................................................
xi
Introdução.............................................................................................................................
1
Capítulo 1 – Fundamentos do Aquecimento por Microondas..............................................
3
1.1 - Breve Histórico.................................................................................................
3
1.2 - Características do Aquecimento por Microondas.............................................
4
1.3 - Mecanismos de Conversão de Energia Eletromagnética em Calor..................
5
1.4 - Aspectos Importantes no Aquecimento por Microondas..................................
7
1.5 - Vantagens e Desvantagens do Processamento por Microondas.......................
10
Capítulo 2 – Projeto e Construção do Protótipo...................................................................
13
2.1 – Introdução........................................................................................................
13
2.2 - Fonte de Potência de Microondas.....................................................................
13
2.3 - Aplicador de Microondas.................................................................................
19
2.4 - Refrigeração e Exaustão...................................................................................
28
2.5 - Blindagem das Ondas Eletromagnéticas..........................................................
34
2.6 - Detalhes da Construção do Protótipo...............................................................
37
2.7 - Considerações Gerais no Projeto......................................................................
39
Capítulo 3 – Testes com o Protótipo e Resultados Obtidos..................................................
41
3.1 – Introdução........................................................................................................ 41
3.2 - Fonte de Alimentação Modular........................................................................
41
3.3 - Teste de Potência do Aplicador........................................................................
44
3.4 - Testes de Refrigeração e Exaustão do Sistema.................................................
53
3.5 – Considerações Gerais.......................................................................................
53
Conclusões............................................................................................................................ 54
Referências Bibliográficas....................................................................................................
57
Anexos.................................................................................................................................. 59
vii
LISTA DE FIGURAS
CAPÍTULO 1
Figura 1.1 -
Possibilidades de interação das ondas eletromagnéticas com um
material qualquer.....................................................................................
Figura 1.2 -
Comportamento da profundidade de penetração e da densidade de
potência absorvida no material, em função da freqüência.....................
Figura 1.3 -
7
9
Comportamento da temperatura em materiais volumosos e com alto
ε r”............................................................................................................ 10
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 -
Magnetron SHARP, modelo 2M172AJ(L1)...........................................
14
Figura 2.2 -
Interior da fonte de alimentação modular da magnetron.........................
14
Figura 2.3 -
Esquema de medição no teste de curto circuito do transformador..........
15
Figura 2.4 -
Vista frontal de uma fonte de alimentação da magnetron.......................
17
Figura 2.5 -
Vista frontal do quadro elétrico...............................................................
18
Figura 2.6 -
Vista da parte traseira do quadro elétrico................................................
18
Figura 2.7 -
Perfil do material a ser processado..........................................................
20
Figura 2.8 -
Vista lateral do aplicador com o duto de refrigeração aberto e sem as
cargas d’água........................................................................................... 20
Figura 2.9 -
Vista frontal interna do aplicador sem as cargas d’água. Chapa de
teflon em destaque...................................................................................
Figura 2.10 -
21
Lâmina de um dos acessos do aplicador. Recorte na chapa em
destaque................................................................................................... 21
Figura 2.11 -
Vista superior da parte de encaixe da magnetron de um guia de
acoplamento............................................................................................
Figura 2.12 -
22
Vista inferior da parte de acoplamento com o aplicador de um guia de
acoplamento............................................................................................
22
Figura 2.13 -
Guia de ondas acoplado a uma magnetron..............................................
23
Figura 2.14 -
Acoplamento guia de ondas-aplicador-magnetron..................................
23
Figura 2.15 -
Destaque para as aberturas de acoplamento na parede inferior do
aplicador.................................................................................................. 25
Figura 2.16 -
Estrutura para simular a emissão do sinal de microondas da válvula.....
26
Figura 2.17 -
Montagem usada para a medição de S11 e SWR.....................................
26
viii
Figura 2.18 -
SWR x freqüência em um guia de acoplamento....................................
27
Figura 2.19 -
S11 (dB) x freqüência em um guia de acoplamento..................................
27
Figura 2.20 -
Magnetron 10 kW CW............................................................................
28
Figura 2.21 -
Sistema para teste do desempenho de duas magnetrons refrigeradas a
ar forçado e a água.................................................................................
Figura 2.22 -
29
a) Tampas da estrutura de cobre. b) Seção central da “camisa”de
cobre........................................................................................................ 30
Figura 2.23 -
Magnetron SANYO 2M172H, refrigerada a água..................................
30
Figura 2.24 -
Destaque da parte interna do duto de ventilação.....................................
31
Figura 2.25 -
Duto de ventilação acoplado ao aplicador...............................................
32
Figura 2.26 -
Disposição dos orifícios na chapa perfurada...........................................
33
Figura 2.27 -
Exaustor sobre a coifa.............................................................................
34
Figura 2.28 -
Aplicador para produtos volumosos. a) Sem cargas absorventes. b)
Com cargas absorventes..........................................................................
35
Figura 2.29 -
Carga d’água isolada, para blindagem nos acessos do aplicador............
36
Figura 2.30 -
Carga d’água acoplada ao aplicador........................................................
36
Figura 2.31 -
Lâmina dos acessos do aplicador............................................................
37
Figura 2.32 -
Dimensões das cargas d’água. a) Vista lateral. b) Vista frontal..............
38
Figura 2.33 -
Principais dimensões do armário das fontes modulares..........................
38
Figura 2.34 -
Principais dimensões da estrutura de suporte das fontes modulares.......
39
Figura 2.35 -
Esquema simplificado para projeto de sistemas de processamento por
microondas..............................................................................................
40
CAPÍTULO 3
Figura 3.1 -
Potência fornecida pela magnetron em função da capacitância da fonte
modular.................................................................................................... 43
Figura 3.2 -
Disposição eqüidistante dos quatro recipientes no aplicador..................
Figura 3.3 -
Distribuição da potência em diferentes posições no aplicador
45
(C=0,93µF).............................................................................................. 45
Figura 3.4 -
Distribuição de potência em diferentes posições no aplicador
(C=1,86µF).............................................................................................. 46
Figura 3.5 -
Potência no aplicador em função do número e da posição das válvulas
ativas........................................................................................................ 48
ix
Figura 3.6 -
Comportamento da temperatura nas saídas de ventilação e exaustão do
sistema..................................................................................................... 49
Figura 3.7 -
Comportamento da corrente de filamento nas magnetrons.....................
51
Figura 3.8 -
Comportamento da corrente de anodo nas magnetrons..........................
51
Figura 3.9 -
Comportamento da corrente de alimentação em cada fonte modular.....
52
ANEXOS
Figura A1.1 -
Esquema elétrico das fontes modulares para alimentação das válvulas
magnetron................................................................................................ 59
Figura A2.1 -
Disposição das fendas de acoplamento no aplicador..............................
60
Figura A3.1 -
Dimensões da parte superior do guia de acoplamento............................
61
Figura A3.2 -
Dimensões lateral (a) e inferior (b) do guia de acoplamento.................
62
Figura A4.1 -
Variação do SWR e do S11 com a freqüência em um dos guias de
acoplamento............................................................................................
63
Figura A5.1 -
Esquema com dimensões e constituição básica do aplicador..................
64
Figura A6.1 -
Vista lateral do aplicador. Principais dimensões.....................................
65
Figura A7.1 -
a) Disposição das válvulas no aplicador. b) Disposição das fontes no
armário de alimentação...........................................................................
x
66
LISTA DE TABELAS
CAPÍTULO 2
Tabela 2.1 -
Teste do transformador de alta tensão da fonte de alimentação da
magnetron (2000 V / 0,5 A)....................................................................
15
CAPÍTULO 3
Tabela 3.1 -
Teste de potência da magnetron tipo SHARP, modelo 2M172AJ(L1)3,
alimentada por uma fonte modular.................... .....................................
Tabela 3.2 -
Resultado do teste de potência no aplicador, sem cargas d'água, sem
esteira transportadora e com todas as magnetrons ativas (C = 0,93 µF).
Tabela 3.3 -
46
Valores obtidos no teste de potência do sistema variando o número de
válvulas ativas.........................................................................................
Tabela 3.5 -
Comportamento
das
correntes
de
anodo
e
filamento
47
nas
magnetrons..............................................................................................
Tabela 3.6 -
44
Resultado do teste de potência no aplicador, sem cargas d’água, sem
esteira transportadora e com todas as magnetrons ativas (C = 1,86 µF)
Tabela 3.4 -
42
50
Comportamento das correntes de alimentação das fontes e das fases da
rede elétrica.............................................................................................
xi
52
INTRODUÇÃO
O uso da energia de microondas para o aquecimento de materiais diversos vem
crescendo de modo acelerado no mundo. As aplicações mais comuns são aquelas relacionadas
com os fornos a microondas domésticos. Também encontra seu espaço, o uso isolado ou
integrado com outras formas de processamento, nas indústrias alimentícia, têxtil, madeireira,
cerâmica, da borracha, e outras mais. Essa é uma área que apresenta grandes perspectivas de
crescimento no mercado, em função de características que a distingue de suas concorrentes,
tais como: limpeza do processo, superior qualidade do produto final, possibilidade de
integração com sistemas convectivos, pneumáticos, etc.
O custo dos primeiros fornos a microondas, após a Segunda Guerra Mundial, era
proibitivo para sua produção em escala comercial. Anos depois, porém, com o uso de
refrigeração mais adequada das válvulas de microondas, de materiais mais leves e baratos, e
com a conseqüente diminuição no tamanho dos fornos, o custo de implantação de um sistema
de aquecimento por microondas, reduziu significativamente. Hoje, é um sério concorrente de
seu rival mais próximo, o aquecimento convectivo.
No Brasil, o uso do aquecimento por microondas se restringe basicamente aos fornos
domésticos a microondas. Seu uso na indústria ainda é pequeno, se forem levadas em conta as
vantagens que ele pode trazer. Por outro lado, pode-se justificar essa situação, observando-se
que as válvulas de microondas, fontes de potência de alta freqüência, são todas importadas, e
aquelas de maior potência, bem como seus acessórios, não são encontrados no país. Desse
modo, o reparo em um sistema industrial de uma empresa, caso não haja peça de reposição
em estoque, pode demandar bastante tempo, o que se traduz em perda de competitividade no
mercado. Apenas as válvulas usadas em fornos a microondas domésticos são encontradas em
estoque no país, em preços que podem variar de US$ 50,00 a US$ 90,00.
Este trabalho apresenta o projeto e a construção de um protótipo de forno a
microondas, aplicado como secador na indústria de embalagens de produtos diversos. O
secador utiliza seis válvulas magnetron de 900 W nominal cada, que são acionadas de modo
independente por fontes de alimentação modulares. Assim, o defeito de uma válvula, não fará
com que o sistema seja paralisado, mas apenas reduzirá sua potência, até que a válvula seja
substituída.
O Capítulo 1 apresenta uma breve explanação sobre o aquecimento por microondas e
suas vantagens e desvantagens em relação a outros tipos de aquecimento. O Capítulo 2 mostra
o projeto e a construção do protótipo, bem como as principais partes que o compõem. O
1
Capítulo 3 é destinado aos testes realizados e ao exame dos resultados obtidos com os
mesmos. Na conclusão, faz-se uma análise dos pontos fortes e as dificuldades encontradas no
trabalho, como forma de orientar novas iniciativas em uma área que pode ser de grande
interesse para o processamento de produtos em pequena escala.
2
CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS DO AQUECIMENTO POR MICROONDAS
1.1 – BREVE HISTÓRICO
O uso de energia eletromagnética para aquecimento de materiais dielétricos, começou
a ganhar impulso com a patente do primeiro forno a microondas, em 1946, por engenheiros da
Raytheon Corporation, que apoiaram-se nos efeitos observados pelo Dr. Percy Spencer, que
verificou a influência de ondas eletromagnéticas no aquecimento de determinados materiais,
como chocolate, ovo e milho de pipoca.
O primeiro forno a microondas, operando em 2,45 GHz, construído para processar
alimentos, foi lançado no mercado americano em 1947.[1] Utilizava-se de uma magnetron
refrigerada a água e pesava em torno de 340 kg, com uma altura de 1,70 m. Esse forno custou
aproximadamente US$ 5.000,00, o que era um valor elevado para seu uso em escala
comercial. Esse custo foi drasticamente reduzido com o advento de magnetrons menores,
refrigeradas a ar, que eliminaram a necessidade de sistemas de tubulações para condução de
água, bem como pela redução no volume dos aplicadores que passaram a ter paredes
metálicas mais finas.
Nos anos 70, o uso doméstico dos fornos a microondas começou a ser maior, em
especial nos Estados Unidos e no Japão, pois alguns tabus quanto ao efeito das microondas na
qualidade e no sabor dos alimentos, bem como possíveis males sobre a saúde do ser humano,
cegueira ou esterilidade por exemplo, não foram cientificamente comprovados. Em 1975, a
venda de fornos a microondas nos Estados Unidos suplantou pela primeira vez a de fornos a
gás. Em 1976, o forno a microondas era mais comum que a máquina de lavar pratos e já
estava presente em 52 milhões de lares americanos.[2] Hoje em dia, pode-se dizer que a
televisão e o forno a microondas mudaram radicalmente os hábitos dos americanos.
No Brasil, apenas nos anos 90 os fornos a microondas passaram a ter uma participação
mais significativa na vida dos consumidores, sendo usados basicamente no aquecimento de
sanduíches ou pratos prontos, ou mesmo no preparo integral de refeições rápidas.
Em aplicações industriais, os fornos a microondas têm participado com parcelas cada
vez maiores. Em 1994, apenas na cura da borracha, já havia no mundo cerca de 600 plantas
industriais.[1]
3
Hoje, outras aplicações também podem ser registradas: na medicina, no tratamento de
tumores de pele; na indústria farmacêutica, na secagem de comprimidos; na área de alimentos,
como a pasteurização do leite e secagem de batatas; na indústria de cosméticos, com a
extração de corantes e óleos.
1.2 – CARACTERÍSTICAS DO AQUECIMENTO POR MICROONDAS
O
processo
de
aquecimento
por
microondas
difere
fundamentalmente
dos
convencionais, onde a transferência de calor se dá por convecção e condução. Neles, o
processo é normalmente lento e ineficiente quanto ao aproveitamento da energia. A energia
térmica é inicialmente transferida para a superfície do produto processado e, posteriormente,
difundida de modo vagaroso para o seu interior, o que é verificado através da temperatura no
interior do material, sempre menor que na superfície. Os processos convencionais também
apresentam o inconveniente de aquecer não apenas o produto, mas também o recipiente que o
contém, o meio que o envolve e até o aplicador utilizado. Esses fatores tornam ineficiente o
sistema de aquecimento sob o ponto de vista de conversão de energia, além de dificultar a
otimização do tempo de processamento.
O aquecimento por microondas, quando comparado com as formas convencionais,
apresenta diversas vantagens, tais como:
•
A conversão da energia eletromagnética em calor pode ser classificada como volumétrica,
acontecendo numa camada abaixo da superfície do produto, função da profundidade de
penetração da onda no material. Isso faz com que temperaturas mais elevadas sejam
alcançadas no interior do material, quando comparadas com a da superfície. Essa
característica contribui para a redução do tempo de processamento e para uma melhoria na
qualidade do produto final.
•
O tempo de processamento é significativamente reduzido também, porque o aquecimento
por microondas não exige um pré-aquecimento do aplicador ou mesmo do meio que
envolve o material. Isso permite uma economia da energia empregada, pois a onda
eletromagnética só existe com o forno ligado, quando o produto está sendo processado.
•
Os aplicadores de microondas apresentam um volume bem menor que os aplicadores
convectivos ou pneumáticos, o que reflete em uma diminuição de custos e de espaço
ocupado.
4
•
É perfeitamente compatível com outros processos: convectivo, infra-vermelho, ar quente,
pneumático, etc. Essa característica favorece a obtenção de produtos de melhor qualidade.
1.3 - MECANISMOS DE CONVERSÃO DE ENERGIA ELETROMAGNÉTICA EM
CALOR
Na transferência de calor por condução, a fonte de energia deve manter contato físico
com o material sob processamento. Assim, o processo é iniciado na superfície do produto, a
partir da interface fonte-material, apresentando um gradiente de temperatura em direção ao
interior do elemento a ser aquecido, além de um gradiente de concentração de massa entre o
interior úmido e a superfície mais seca. Os dois gradientes agindo de formas opostas, fazem
com que a região próxima da fonte, atinja temperaturas altas muito antes das mais distantes, o
que para algumas aplicações pode ser indesejável.
No aquecimento convectivo não há a necessidade de contato fonte-material, porém o
meio que envolve o produto deve ser aquecido primeiramente. Assim, aquece-se inicialmente
o meio, em seguida a superfície do material e depois, por condução térmica, o calor chega ao
interior do produto. Esse processo é o mesmo que se observa em fornos domésticos a gás,
onde grande parte do calor gerado é inicialmente utilizado no aquecimento do ar dentro do
forno e das paredes do aplicador.
Aquecimento dielétrico e por microondas, são denominações que algumas vezes
podem causar confusão, pois, apesar dos princípios de aquecimento serem os mesmos em
ambos os casos, diferem nos equipamentos e no tipo de geração utilizados. Em geral, o termo
aquecimento dielétrico é aplicado a sistemas que operam na faixa de 1 a 100 MHz, enquanto
que os por microondas acontecem entre 300 MHz e 300 GHz. [3] Aquecimento por microondas
e aquecimento dielétrico não devem ser entendidos como formas de calor, mas como formas
de energia que se manifestam na ação da onda eletromagnética sobre o material a ser
processado, através de diversos mecanismos de conversão, tais como: condução iônica,
rotação dipolar, polarização, histerese ferroelétrica, etc. A rotação dipolar, em geral, é o efeito
mais importante de todos, seguido pelo de condução iônica.
A condução iônica é verificada quando os íons que compõem o material são
submetidos a um campo elétrico. Quando isso ocorre, esses íons adquirirem movimento,
energia cinética, e colidem com outros íons que estão ou não em movimento. Essas colisões
liberam calor, que por sua vez aquecem o material.
5
A potência desenvolvida por unidade de volume (Pv), na condução iônica, pode ser
expressa por
Pv = E2 qnµ
(W/m3 ),
(1.1)
onde, E é o campo elétrico aplicado, q a carga elétrica do íon, n o número de íons por unidade
de volume e µ a mobilidade dos íons.
Os materiais submetidos ao aquecimento dielétrico ou por microondas, devem
preferencialmente ter características de um dielétrico, que em geral é um mau condutor
térmico e também elétrico. Esses materiais possuem água na sua composição e, portanto,
apresentam moléculas polares, que, sob ação de um campo elétrico alternado, procuram se
alinhar com o mesmo. As moléculas oscilam na mesma freqüência do campo elétrico,
chocando-se umas com as outras, em um contínuo atrito entre si e com as outras partes do
material. Esse atrito é o responsável pela conversão de energia eletromagnética em calor no
material.
A potência convertida em calor por unidade de volume no material, através da rotação
dipolar, pode ser expressa como [4]
P = 55,6325x10-12 E2 fεr’tgδ
(W/m3 ),
(1.2)
onde E é o valor rms do campo elétrico aplicado, f a freqüência de operação, εr’ a parte real
da permissividade relativa e tgδ a tangente de perdas. A freqüência e o campo elétrico estão
associados ao equipamento utilizado, enquanto que a tangente de perdas,
tg δ =
εr "
,
εr '
(1.3)
está relacionada à característica elétrica do material a ser aquecido.
O termo εr” é o fator de perdas, que indica se o material é um bom absorvedor de
energia. Um material com alto εr” absorve uma grande quantidade de energia e é aquecido
rapidamente. Materiais com baixo εr” são transparentes às ondas eletromagnéticas. Valores de
εr” maiores que 10-2 já são adequados para aquecimento dielétrico.
6
1.4 – ASPECTOS IMPORTANTES NO AQUECIMENTO POR MICROONDAS
Na aplicação de microondas a um material qualquer, três situações podem acontecer,
como mostra a figura 1.1. O material pode refletir a onda eletromagnética (1), a onda pode
atravessar o material (2), ou pode ser absorvida pelo mesmo (3).
(1)
(2)
(3)
Figura 1.1 – Possibilidades de interação das ondas eletromagnéticas com um material
qualquer.
O caso (1) é verificado quando o material é um bom condutor, o que implica numa
insignificante profundidade de penetração da onda eletromagnética.
O caso (2) é característico de materiais com εr” muito baixo e conseqüentemente
transparentes às ondas eletromagnéticas.
A situação (3) é a desejada para os materiais submetidos ao aquecimento por
microondas, ou seja, com εr” elevado.
A eficiência do aquecimento por microondas depende, portanto, não apenas do
aplicador utilizado, da potência disponibilizada e do tempo de processamento, mas é
essencialmente dependente do tipo de material a ser aquecido, sua permissividade elétrica e
tangente de perdas.
A permissividade elétrica do material, ε, é dada por um valor complexo, dependente
da freqüência
ε (ω)= ε 0 [εr’(ω) - jεr”(ω)].
(1.4)
7
Como no aquecimento por microondas o processo de conversão de energia
eletromagnética em calor e sua posterior transmissão ocorrem a partir de uma camada abaixo
da superfície do material, é importante destacar a chamada profundidade de penetração, dp ,
definida na equação (1.5), como a distância a partir da superfície em que a potência cai para
aproximadamente 37% do seu valor na superfície.[1]
dp
=
c
ω 2εr  1 + tg 2 δ − 1


'
1
,
(1.5)
2
onde c é a velocidade da luz.
Se tgδ for pequena, dp pode ser simplificada para[1]
dp =
c εr '
2 π f εr "
,
(1.6)
A densidade de potência média absorvida no material em processamento é dada por[1]
Pd =
1
ωε0 ε”E2 .
2
(1.7)
A taxa de crescimento da temperatura em qualquer ponto do material pode ser obtida
através da seguinte equação de calor[1]
Cρ0
∂T
= Pd + ∇.(k∇T) + hperdas ,
∂t
(1.8)
onde:
T – temperatura do material (K),
C – calor específico do material (kJ/kg.K),
ρ0 – densidade do material (kg/m3 ),
k – condutividade térmica (W/m.K),
hperdas – perda de calor por condução, convecção ou irradiação na superfície do material
(W/m3 ).
8
Observando-se as equações (1.5) e (1.7), verifica-se que, quando a freqüência diminui,
dp cresce e Pd decresce.
Se por outro lado, f crescer, dp decrescerá, mas Pd e, conseqüentemente, a taxa de
aquecimento do material aumentarão. Essa é portanto, uma questão a ser considerada nos
projetos de aquecimento por microondas.
Da equação (1.7), observa-se que, como o aumento doE é limitado pela tensão de
ruptura do dielétrico do material, então Pd só pode aumentar com o crescimento da freqüência.
Entretanto, se ε” for pequeno, apenas uma pequena parte da energia que atinge o material,
será por ele absorvida. Por outro lado, um alto ε” implicará em maior absorção, limitando,
porém, o aquecimento à superfície do material.
Fica evidente, assim, o compromisso que deve ser atendido na relação profundidade de
penetração e densidade de potência média absorvida no material em função da freqüência.
(figura 1.2)
Profundidade de penetração
Densidade de potência média absorvida
Freqüência (GHz)
Figura 1.2 – Comportamento da profundidade de penetração e da densidade de potência
média absorvida no material, em função da freqüência.[1]
Para a compreensão do modo como ocorre o aquecimento por microondas em um
material, é imperativo o conhecimento das propriedades elétricas desse material. A partir daí,
pode-se controlar a freqüência de operação, a potência aplicada e o tempo de exposição do
9
produto, além da temperatura no processo de aquecimento, no sentido de reduzir as
possibilidades de danos e melhorar a qualidade do material processado.
Além disso, se o aquecimento for realizado em materiais volumosos, deve-se lembrar
que ele se inicia próximo à superfície, numa região distante do centro do produto, que é
atingido apenas por condução. Nessa situação, a superfície sempre desenvolve uma maior
temperatura que o interior do produto. A figura 1.3 apresenta o comportamento da
temperatura no material em objetos volumosos e com ε” relativamente alto, característico de
cerâmicas, em função do tempo e da distância a partir da superfície. Nessa situação, é
aconselhável considerar a possibilidade de um pré-aquecimento do produto por outro processo
qualquer, antes do uso de microondas.
Figura 1.3 – Comportamento da temperatura em materiais volumosos e com alto ε r”.[1]
1.5 - VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSAMENTO POR
MICROONDAS
O uso de microondas no processamento de materiais ainda hoje é discutido quanto a
sua eficácia, a despeito do enorme incremento das vendas de fornos a microondas no mundo
inteiro. São inegáveis os benefícios que esse processamento pode trazer, quando comparado
com os seus concorrentes (convectivos e pneumáticos) na secagem de produtos. Contudo, sua
aplicação não pode ser feita para todo e qualquer tipo de material, ainda que ele apresente
características elétricas adequadas para tal. Estudos preliminares sobre sua viabilidade
10
econômica, com relação aos custos de implantação do projeto, de manutenção da planta, e do
preço final do produto processado, devem ser sempre considerados.
As principais vantagens do uso de microondas no processamento de produtos são:[5]
1. Velocidade de processamento – o processo, iniciado numa camada abaixo da superfície do
material, conta com dois gradientes, de temperatura e pressão, que se ajudam mutuamente,
apresentando tempos de processamento bastante reduzidos, se comparados com os
associados ao processamento convectivo. Reduções de até 50% em relação a este último
são comumente verificadas;
2. Limpeza - o processamento em si é limpo, pois não há qualquer tipo de resíduo, fumaça
ou fuligem, por exemplo, já que a onda eletromagnética age apenas no material e nele é
convertida em calor;
3. Redução no tamanho do aplicador - um aplicador por microondas é em geral de menor
porte, quando comparado com o seu concorrente do tipo convectivo;
4. Compatibilidade com outros processos - é possível, e muitas vezes importante, seu uso
integrado com outros processos de aquecimento, na busca de um produto final de melhor
qualidade, em um tempo mais curto de processamento. Como exemplo, pode-se citar o
forno a microondas doméstico com dourador, onde há o compartilhamento do
processamento entre um forno elétrico e um forno por microondas, além do forno a
microondas com o prato giratório feito de cerâmica com altas perdas que melhor aproveita
o aquecimento por condução;
5. Eficiência elevada - conseguem-se eficiências superiores a 50% no aproveitamento de
energia, pelo fato de não haver aquecimento do aplicador ou do ar nele contido, mas
apenas do material sujeito à ação das ondas eletromagnéticas;
6. Controle da ação da energia de microondas - as ondas eletromagnéticas agem no produto
tão logo o forno seja ligado, e extinguem sua ação imediatamente após o seu
desligamento. Não há exigência de pré-aquecimento do aplicador para seu uso;
7. Penetração de energia - diferentemente do processo convectivo, onde o aquecimento se dá
por condução da superfície para o interior do produto, a ação das microondas acontece a
partir de uma camada inferior à superfície do material, função das suas características
elétricas;
8. Seletividade na absorção de energia -- as microondas são melhor absorvidas por regiões
mais úmidas do material;
11
9. Inexistência de riscos de queimadura – os riscos de acidentes por queimadura do operador
do sistema são mínimos, já que o aplicador não aquece suas paredes;
10. Homogeneidade na distribuição de energia – em função da seletividade da absorção de
energia pelo material, partes mais úmidas do produto recebem mais energia que as com
menor umidade. Esse efeito, inicialmente traduzido numa distribuição uniforme do
aquecimento, deve ser explorado com reservas, especialmente em materiais cuja tangente
de perdas cresce rapidamente com a temperatura, o que pode ocasionar o indesejável
fenômeno da avalanche térmica;
11. Ação localizada – a ação das microondas pode ser restrita a pequenas áreas e em
intensidades controladas, o que a torna importante na medicina, no tratamento de tumores
de pele, por exemplo.
As principais desvantagens do processo de aquecimento por microondas são:
1. Ocorrência eventual de pontos quentes - a absorção seletiva de energia pode ser danosa
para alguns materiais, já que algumas regiões do mesmo podem apresentar temperaturas
bastante elevadas;
2. Difícil aquecimento de materiais com elevada condutividade elétrica - não há aquecimento
sem penetração da energia no material;
3. Difícil aquecimento de materiais "transparentes" às microondas - materiais com baixa
tangente de perdas não podem ser aquecidos de modo eficiente. Por outro lado, esses
materiais são importantes para uso em esteiras transportadoras e recipientes que contêm o
material a ser processado;
4. Avalanche térmica - ocorre em materiais que apresentam grande aumento da sua tangente
de perdas com a elevação da temperatura;
5. Degradação de produtos - atenção deve ser dada à ação das mic roondas em produtos como
corantes, por exemplo, onde a característica de pigmentação pode ser deteriorada, se não
houver um controle adequado do processo. A degradação pode estar associada com a
avalanche térmica, potência aplicada, ou mesmo a um tempo de exposição exagerado.
A afirmação que o processamento por microondas é caro e que essa é sua grande
desvantagem, não pode ser tomada como verdade absoluta. Se o valor agregado do produto
final for alto e sua qualidade for adequada, o uso das ondas eletromagnéticas, ainda que de
modo integrado com outro processo, pode ser considerado como uma opção viável.
12
CAPÍTULO 2
PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
2.1 – INTRODUÇÃO
Um sistema de aquecimento por microondas deve ser construído de acordo com o tipo
do material a ser processado, quantidade do produto e o tempo desejado para o
processamento. Desse modo, o desenvolvimento e a construção do sistema são quase que
exclusivos para cada produto e/ou situação. Entretanto, orientações comuns entre todos os
projetos podem ser apresentadas, o que é feito nos itens seguintes. Essas orientações dizem
respeito à fonte de potência de microondas, ao aplicador, aos sistemas de segurança, ao
sistema de transporte do produto se for o caso, à blindagem das ondas eletromagnéticas e aos
sistemas de refrigeração e exaustão.
2.2 - FONTE DE POTÊNCIA DE MICROONDAS
A fonte de potência de microondas tem a função de transformar um sinal AC 50/60 Hz
em sinal de microondas de alta potência. De um modo geral, o sistema de geração conta com
uma válvula de microondas e sua fonte de alimentação própria, além de controles para
monitoração da operação da válvula.
A válvula de microondas usada deve atender pré-requisitos como: baixo custo, boa
estabilidade em freqüência e, principalmente, boa eficiência. De um modo geral, as
magnetrons, dependendo da aplicação a que se destinam, apresentam eficiências que variam
de 50% até 80%.[6]
Neste trabalho optou-se por usar a válvula magnetron de uso doméstico, SHARP
modelo 2M172AJ(L1), mostrada na figura 2.1.
13
Figura 2.1 –Magnetron SHARP, modelo 2M172AJ(L1).
A fonte da magnetron, cujo esquema elétrico, é mostrado no Anexo 1, fornece
alimentações independentes para o aquecimento do filamento e para a alimentação do circuito
anodo/catodo. Essa independência é para que seja evitado qualquer tipo de interferência de
uma alimentação na outra.
Ainda na alimentação da magnetron, pode-se observar o estágio inicial de
acionamento da fonte, onde tem-se um triac convenientemente dimensionado para suportar
corrente superior a 10 A. Esse artifício permite a utilização de uma chave de baixa
amperagem para acionar o circuito, já que o disparo da magnetron é determinado pelo triac.
A alimentação responsável pelo aquecimento do filamento é feita através de um
transformador de alta corrente e baixa tensão, 20 A/3,15 V, enquanto que o circuito
anodo/catodo
é alimentado através de um
transformador de alta tensão e baixa corrente,
2000 V/0,5 A, e um estágio retificador/dobrador de tensão, colocado no secundário do
transformador de alta tensão, que fornece à magnetron um sinal DC pulsado de 4000 Vrms. A
figura 2.2 mostra o interior de uma dessas fontes.
Figura 2.2 – Interior da fonte de alimentação modular da magnetron.
14
No desenvolvimento da fonte de alimentação de cada magnetron, levantou-se a
característica de impedância de saída do transformador de alta tensão, com auxílio do teste de
curto circuito.[7]
Esse teste consiste na medição das correntes nos lados de alta e baixa tensão do
transformador, além da potência que o alimenta quando a tensão no lado de 2000 V varia.
O esquema usado para levantamento desses dados é mostrado na figura 2.3, enquanto
que os valores obtidos são dispostos na tabela 2.1.
TRANSFORMADOR
WATTÍMETRO
IA
+
I 220
A
A
+
V2000
V
REDE
-
-
2
0
0
0
V
2
2
0
V
A
Figura 2.3 – Esquema de medição no teste de curto circuito do transformador.
Tabela 2.1 – Teste do transformador de alta tensão da fonte de alimentação da magnetron
(2000 V / 0,5 A).
IA
I220
P
V2000
|Zeq|
Req
Rp
Rs
Xeq
Xp
Xs
C
Ef
(A)
(A)
(W)
(V)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(F)
(%)
0,15
1,60
4,0
28,0 186,67 177,78 88,89 7346,1 56,92 28,46 2351,9 1,13E-06
95,24
0,20
2,10
6,8
36,0 180,00 170,00 85,00 7024,7 59,16 29,58 2444,6 1,09E-06
94,44
0,50
3,40
28,0
60,0 120,00 112,00 56,00 4628,1 43,08 21,54 1780,2 1,49E-06
93,33
0,70
4,90
56,0
90,0 128,57 114,29 57,14 4722,5 58,90 29,45 2433,9 1,09E-06
88,89
0,80
5,70
80,0
106,0 132,50 125,00 62,50 5165,2 43,95 21,97 1815,9 1,46E-06
94,34
1,10
10,00
150,0 150,0 136,36 123,97 61,98 5122,6 56,81 28,40 2347,4 1,13E-06
90,91
1,22
11,30
192,0 170,0 139,34 129,00 64,50 5330,4 52,69 26,35 2177,3 1,22E-06
92,57
1,35
12,30
196,0 190,0 140,74 129,49 64,75 5350,9 55,13 27,57 2278,2 1,16E-06
92,01
1,38
12,80
256,0 200,0 144,93 134,43 67,21 5554,7 54,16 27,08 2238,1 1,19E-06
92,75
1,42
13,00
280,0 209,0 147,18 138,86 69,43 5738,0 48,79 24,39 2016,0 1,32E-06
94,35
1,45
13,50
300,0 217,0 149,66 142,69 71,34 5896,1 45,13 22,57 1865,0 1,42E-06
95,34
onde,
15
IA – corrente medida no lado de alta do transformador,
I220 – corrente medida nos terminais de baixa do transformador,
P – potência medida na entrada do transformador,
V2000 – tensão medida no terminal de alta do transformador,
a = 0,11 – razão de transformação do transformador,
Zeq = módulo da impedância do primário do transformador,
Req = resistência equivalente do enrolamento primário do transformador,
Rp = resistência do enrolamento primário do transformador,
Rs = resistência do enrolamento secundário do transformador,
Xeq = reatância equivalente do enrolamento primário do transformador,
Xp = reatância do enrolamento primário do transformador,
XS = reatância do enrolamento secundário do transformador,
C = capacitância do enrolamento secundário do transformador,
Ef = eficiência do transformador.
V2000
,
IA
| Zeq | =
Req =
P
,
I A2
Rp =
Req
RS =
Req
2
(2.1)
(2.2)
,
(2.3)
,
(2.4)
2a 2
(
X eq = | Z eq | − R
2
Xp =
X eq
XS =
X eq
C=
2
eq
)
1
2
,
(2.5)
,
(2.6)
,
(2.7)
1
,
ωX S
(2.8)
Ef =
2
2a 2
P
.
I AV2000
(2.9)
16
Observa-se que um valor médio de 1,33 µF para o capacitor do estágio dobradorretificador de tensão, poderia garantir um melhor casamento na saída do transformador de alta
tensão. Assim usou-se inicialmente uma capacitância de 1,86 µF (dois capacitores de 0,93 µF
em paralelo) no dobrador-retificador de tensão, já que esses eram os disponíveis no mercado
local.
No Capítulo 3, apresentam-se alguns testes do comportamento dessa fonte, quando
operando, com apenas um ou, com dois capacitores no estágio dobrador-retificador.
A monitoração do funcionamento da magnetron é feita por meio de dois
amperímetros, que indicam a corrente de filamento e a corrente no fio-terra da mesma,
conforme mostrado na figura 2.4.
Figura 2.4 – Vista frontal de uma fonte de alimentação da magnetron.
O sistema global de alimentação está disposto em um quadro elétrico bastante
funcional, que comporta as seis fontes que acionam as magnetrons do forno. As fontes são
modulares e estão dispostas como mostrado nas figuras 2.5 e 2.6.
17
Figura 2.5 – Vista frontal do quadro elétrico.
Figura 2.6 - Vista da parte traseira do quadro elétrico.
18
2.3 - APLICADOR DE MICROONDAS
O aplicador é a parte do sistema onde efetivamente acontece o processamento do
produto. Ele pode ser classificado, quanto ao tipo de propagação, em aplicador de ondas
progressivas ou de ondas estacionárias; quanto à continuidade do processamento, em
aplicador por batelada ou contínuo; e quanto ao número de modos de propagação ou
ressonância, em monomodo ou multimodo.[8]
O aplicador é classificado como de ondas progressivas quando o produto absorve
continuadamente a energia através de um sistema de transmissão, em geral um guia de ondas,
e cuja parte da energia não usada no processamento é aplicada em cargas absorventes na saída
do sistema. O aplicador de ondas estacionárias apresenta a característica de que a onda
eletromagnética é confinada a uma região do espaço onde o produto é processado, refletindose continuamente nas paredes do aplicador, resultando em modos de ressonância.
O aplicador do tipo batelada possui uma porta por onde o produto é colocado e, após
processado, é retirado. Como exemplo, têm-se os fornos a microondas domésticos. O
aplicador do tipo contínuo possui dois acessos, o de entrada e o de saída, através dos quais o
material passa permanentemente durante o processamento. Nesse caso, normalmente, tem-se
uma esteira transportadora ou um sistema de movimentação por ação da força da gravidade,
para movimentar o produto.
O aplicador do tipo monomodo é caracterizado pelo uso de uma cavidade ressonante
operando em modo único. É um aplicador interessante no processamento de produtos com
formatos particulares. Já o aplicador multimodo apresenta uma cavidade ressonante onde
diversos modos estão presentes. Esse é um aplicador adequado para materiais de forma e
volume diversificados, pois há uma tendência de melhor distribuição da energia ao longo de
todo o aplicador.
É evidente que a escolha do tipo do aplicador é função do material a ser processado e
que a eficiência do processamento está intimamente associada ao aplicador utilizado.
O aplicador escolhido neste trabalho é do tipo cavidade ressonante multimodo e
contínuo. O material a ser processado, papel prensado com alta tangente de perdas, tem um
formato de calha com seção reta em forma de U, como mostrado na figura 2.7, e será
transportado continuamente ao longo do aplicador, por intermédio de uma esteira.
19
21 cm
10 cm
23 cm
Figura 2.7 – Perfil do material a ser processado.
O aplicador tem três metros de comprimento, seção reta de 35x35 cm, e é construído
em aço inox 18/304. Vistas lateral externa e frontal interna do aplicador são mostradas nas
figuras 2.8 e 2.9, respectivamente.
Figura 2.8 – Vista lateral do aplicador com o duto de refrigeração aberto e sem as cargas
d’água.
20
Figura 2.9 – Vista frontal interna do aplicador sem as cargas d’água. Chapa de teflon em
destaque.
Os acessos de entrada e saída do aplicador são parcialmente vedados por lâminas
fabricadas do mesmo material do aplicador. Essas lâminas permitem apenas a passagem do
produto, fazendo com que a onda eletromagnética, até então não aproveitada no
processamento, permaneça em grande parte no interior do aplicador e possa ser absorvida
pelo material. Essa medida diminui a fuga de energia do aplicador através de seus acessos,
reduzindo a energia absorvida pelas cargas d’água. A figura 2.10 mostra uma das lâminas
localizadas nos acessos do aplicador, onde observa-se o recorte para a passagem do produto.
Figura 2.10 – Lâmina de um dos acessos do aplicador. Recorte na chapa em destaque.
21
A energia chega ao aplicador vinda de seis magnetrons, com potências nominais de
900 W cada, e é conduzida até o interior do mesmo por seis guias de ondas, conforme
mostrado nas figuras 2.11, 2.12, 2.13 e 2.14.
Figura 2.11 – Vista superior da parte de encaixe da magnetron de um guia de acoplamento.
Figura 2.12 – Vista inferior da parte de acoplamento com o aplicador de um guia de
acoplamento.
22
Figura 2.13 – Guia de ondas acoplado a uma magnetron.
Figura 2.14 - Acoplamento guia de ondas-aplicador-magnetron.
Uma questão importante no projeto é a definição do número de magnetrons a serem
usadas no processamento. Pode-se usar uma válvula de alta potência ou mesmo várias de
23
menor potência. Uma válvula de alta potência é normalmente mais eficiente que uma outra
menos potente.[1] Contudo, a última é mais barata, mais fácil de adquirir no mercado,
necessita de menos acessórios para sua operação, além de que em uma eventual falha da
válvula, o processo como um todo não será paralisado, pois as outras estarão operando.
A geração de harmônicos quando se opera uma ou mais magnetrons é um fator que
merece atenção, já que pode vir a interferir negativamente na operação de outros dispositivos
eletrônicos que se encontrem nas proximidades. Essa situação é mais grave em sistemas
alimentados por uma única válvula de alta potência, pois apesar de várias válvulas de menor
potência operando conjuntamente também gerarem harmônicos, nem todas terão a mesma
freqüência, o que poderá diminuir o efeito global.
Quando se usam múltiplas válvulas, deve-se procurar minimizar a interferência entre
as mesmas. O uso de isoladores e circuladores é uma solução tecnicamente possível, porém
cara e de difícil aquisição.
No aplicador, especialmente no caso de multi-alimentação, ainda precisa-se observar a
posição de acoplamento válvula-guia-aplicador, para que se consiga uma adequada
intensidade e distribuição de energia no seu interior.
A distribuição de energia no interior do aplicador, de modo mais uniforme possível, é
uma exigência que, em geral, precisa ser atendida. Uma distribuição não uniforme provoca os
chamados pontos quentes e pontos frios no sistema. Os primeiros podem ocasionar o
fenômeno da avalanche térmica e, conseqüentemente, deteriorar o produto. Os pontos frios
são também indesejáveis, especialmente na esterilização ou inativação enzimática de produtos
alimentícios, já que bactérias e enzimas podem resistir, se a temperatura não atingir um nível
mínimo no material, tornando-o impróprio para o consumo, ou diminuindo seu tempo de
estocagem[9].
Na tentativa de garantir a uniformidade do processamento, diversos estudos têm sido
realizados[1,10,11] mostrando que combinações de tipos diferentes de aquecimento,[12]
alterações no projeto da alimentação da válvula, do número e posicionamento das válvulas
usadas, do tipo do aplicador, dos elementos de acoplamento válvula-aplicador, etc., são
recursos importantes aos quais se pode recorrer.
Modificações na fonte de alimentação, com o uso de freqüências maiores que
2450 MHz, [13] ou via controle de fase independente das diversas fontes, no caso de múltiplas
válvulas,[14,15] são possíveis, porém o custo de sua implementação é invariavelmente alto.
Quando se opta pelo uso de várias válvulas, imagina-se que distribui-se melhor a
energia no aplicador. Contudo, o posicionamento das válvulas com relação ao aplicador e o
24
modo de acoplá-las a esse último, influenciam fortemente na intensidade e na forma da
distribuição da energia no aplicador.
No que concerne ao acoplamento das válvulas ao aplicador, optou-se por aberturas
retangulares longitudinais na parede inferior do mesmo, conforme mostra a figura 2.15. Para o
posicionamento das fendas, considerou-se apenas a irradiação da energia em um aplicador
oco, desprezando-se a influência do material em processamento, o acoplamento entre as
fendas[16], e a usinagem imprecisa das referidas fendas. No Anexo 2 apresenta-se a disposição
das fendas de acoplamento no aplicador, destacando suas principais dimensões.
Figura 2.15 – Destaque para as aberturas de acoplamento na parede inferior do aplicador.
O guia de ondas foi construído objetivando diminuir ao máximo o acoplamento entre
as magnetrons, bem como minimizar a perda de retorno no acoplamento da energia da
magnetron para o aplicador. Em função disso, as magnetrons podem apresentar um melhor
desempenho e um maior tempo de vida útil. As dimensões do guia de acoplamento são
apresentadas no Anexo 3.
O guia de acoplamento foi dimensionado de modo que a distância entre os centros das
aberturas no guia, aberturas para inserção da antena da magnetron e para acoplamento com o
aplicador, fossem separadas de um múltiplo de λg/2.[4] Esta situação proporciona um máximo
de campo elétrico no centro da abertura que acopla com o aplicador. O tamanho e a posição
25
final das aberturas, face à imprecisão na construção do guia, foram ajustadas empiricamente, a
partir dos dados de S11 e SWR medidos.
A obtenção dos valores de S11 e SWR foi realizada conectando-se um analisador de
redes HP, modelo 8720D, a um guia de acoplamento associado a uma estrutura que simula a
emissão do sinal de microondas na saída da magnetron. Esta estrutura é composta pela antena
da magnetron acoplada a um conector tipo N-fêmea.
As figuras 2.16 e 2.17 mostram a estrutura para simular a emissão do sinal de
microondas da válvula e a montagem usada para medição de S11 e SWR, respectivamente.
Figura 2.16 - Estrutura para simular a emissão do sinal de microondas da válvula.
Figura 2.17 - Montagem usada para medição de S11 e SWR.
Os valores obtidos para o SWR e para o parâmetro S11 em função da freqüência para
um dos guias de ondas, estão apresentados no Anexo 4. Os gráficos representativos das
medições realizadas são mostrados nas figuras 2.18 e 2.19, respectivamente.
26
9
SWR
7
5
3
1
2,0
2,2
2,4
2,6
Freqüência (GHz)
2,8
3,0
Figura 2.18 – SWR x freqüência em um guia de acoplamento.
0
S11
-10
-20
-30
-40
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
Freqüência (GHz)
Figura 2.19 – S11 (dB) x freqüência em um guia de acoplamento.
Cada par guia de ondas-magnetron opera de modo independente dos demais,
permitindo, assim, que o sistema possa funcionar com um número variável de válvulas, além
de proporcionar a continuidade do processo, caso uma das fontes venha a falhar.
27
2.4 – REFRIGERAÇÃO E EXAUSTÃO
A refrigeração é um item importante para as válvulas de microondas, pois o calor
imposto ao anodo e ao catodo é bastante elevado. As válvulas geralmente já contam com
aletas dissipadoras de calor acopladas ao anodo, o que, entretanto, nem sempre é suficiente
para uma refrigeração eficiente.
As válvulas com potências inferiores a 1,0 kW são refrigeradas a ar forçado, por meio
de um ventilador que sopra diretamente sobre as aletas dissipadoras de calor.
Válvulas com potência nominal entre 1,0 kW e 2,0 kW podem ser encontradas com
opção de refrigeração a ar forçado ou a água. No entanto, as válvulas com potência superior a
2,0 kW são todas refrigeradas a água e não são encontradas no mercado nacional para pronta
entrega.
Nas válvulas refrigeradas a água, o anodo é encapsulado com uma estrutura de cobre
com dois acessos, que servem de entrada e saída para a água. A figura 2.20, apresenta a foto
de uma magnetron de 10 kW CW, fabricada pela Richardson Electronics, Ltd.
Figura 2.20 – Magnetron 10 kW CW.[17]
28
A refrigeração a água é, sem dúvida, mais eficiente que a ar forçado. Contudo, exige
uma estrutura melhor elaborada para o encanamento e a circulação da água, o que acaba por
encarecer a válvula e o sistema como um todo.
Testes preliminares sobre o comportamento de uma magnetron de uso doméstico,
adaptada para ser refrigerada a água, foram realizados usando-se uma estrutura construída
para observar o comportamento simultâneo de duas válvulas operando com refrigeração a
água e a ar forçado. Um esquema desse sistema de testes é mostrado na figura 2.21.
Figura 2.21 – Sistema para teste do desempenho de duas magnetrons refrigeradas a ar
forçado e a água.[18]
A válvula refrigerada a água foi preparada retirando-se suas aletas dissipadoras de
calor e colocando-se no lugar das mesmas uma “camisa” de cobre com dois acessos para
entrada e saída de água. A estrutura é composta por duas tampas, inferior e superior, com um
orifício central para passagem do núcleo da válvula, além de uma seção central oca que fica
acoplada à parte externa do anodo da válvula. A figura 2.22 mostra o esque ma da peça.
29
36,1 mm
a)
21,5 mm
76,2 mm
1,4 mm
b)
22 mm
9,6 mm
1,4 mm
3,7 mm
2,0 mm
Figura 2.22. – a) Tampas da estrutura de cobre. b) Seção central da “camisa” de cobre.
A figura 2.23, mostra uma magnetron SANYO 2M172H, 900 W nominal, refrigerada
a água e a camisa de cobre que a ela foi acoplada.
Figura 2.23 – Magnetron SANYO 2M172H, refrigerada a água.[18]
30
Os testes realizados mostraram que, enquanto a válvula refrigerada a ar atingia uma
temperatura de 100 0 C na parte externa do anodo, a outra refrigerada a água não ultrapassava
40 0 C na mesma região.
A refrigeração da válvula de microondas precisa, portanto, ser eficiente, sob pena da
mesma ter sua vida útil reduzida, ou mesmo vir a queimar rapidamente por superaquecimento.
Neste trabalho, apesar da vantagem da refrigeração a água, as seis magnetrons são
refrigeradas três a três, por um microventilador, marca VENTISILVA, modelo E18 (115/230
V; 0,88/0,44 A; 61/62 W; 50/60 Hz). Isso deveu-se à maior simplicidade da solução, já que o
uso de água para o resfriamento exige um cuidado especial na usinagem das peças, além de
uma atenção redobrada no processo de soldagem da “camisa” ao núcleo da válvula.
A figura 2.24 destaca o duto de ventilação das magnetrons, e a figura 2.25 apresenta o
duto acoplado ao aplicador.
Figura 2.24 – Destaque da parte interna do duto de ventilação.
31
Figura 2.25 – Duto de ventilação acoplado ao aplicador.
O sistema conta ainda com um exaustor para o quadro elétrico de alimentação das
magnetrons. Isso se fez necessário pela presença do transformador de alta tensão, na fonte de
alimentação modular de cada válvula. A exaustão é feita através de um ventilador igual aos
usados no duto de ventilação das magnetrons.
Um segundo exaustor compõe o sistema, e está colocado em uma coifa sobre a parede
superior do aplicador. A parede superior é constituída de uma chapa perfurada com orifícios
circulares de 3 mm de diâmetro e espaçamento mínimo de 2 mm entre eles. O exaustor é
fabricado pela VENTISILVA, modelo E-30M 6P, (115/230 V; 1,4/0,7 A; 1/7 HP; 150 rpm;
25 m3 /min), e foi escolhido para exaurir o volume de ar do aplicador em aproximadamente 1
segundo. Essa taxa de exaustão é necessária, porque durante o processamento, o produto
libera vapor e gás inflamável, que por uma questão de segurança, deve ser removido do
aplicador, o mais rapidamente possível.
O uso da chapa superior perfurada, com orifícios circulares de 3 mm de diâmetro, não
contribui de modo significativo, na freqüência de 2,45 GHz, para a fuga de energia do
aplicador. A garantia dessa afirmação, foi comprovada por Otoshi, [19] através da seguinte
expressão:
32
 3 a bλ  32 t
0
+
TdB = 20 log 
,
 2π d 3 cosθi  d


(2.10)
onde,
TdB – perda na transmissão através da chapa perfurada (dB),
θi – ângulo de incidência, tomado com a perpendicular à chapa,
a,b – espaçamento entre os orifícios,
d – diâmetro do orifício,
t – espessura da chapa,
λ0 – comprimento de onda no espaço livre.
A figura 2.26 mostra a disposição dos orifícios na chapa perfurada usada neste
trabalho.
b
d
a
Figura 2.26 – Disposição dos orifícios na chapa perfurada.
Considerando que: a = 8,7 mm, b = 7,53 mm, d = 3 mm, t = 1 mm e λ0 = 122,4 mm
obtém-se, no pior caso, quando θi = 00 , uma perda na transmissão através da chapa de
aproximadamente 51 dB, o que traduz a excelente adaptação da solução ao projeto.
A figura 2.27 mostra o exaustor acoplado sobre a coifa.
33
Figura 2.27 – Exaustor sobre a coifa.
2.5 – BLINDAGEM DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
A ação das microondas deve sempre estar confinada ao interior do aplicador.
Entretanto, pontos de fuga dessas ondas eletromagnéticas, existem em todos os sistemas de
aquecimento por microondas. Os acessos de entrada e saída do produto são, em geral, os
pontos críticos para a fuga de energia e precisam ser controlados com segurança.
Se a blindagem das ondas eletromagnéticas não for eficiente, poderá haver problemas
à saúde dos operadores dos sistema, especialmente à visão e ao sistema nervoso, além de
possíveis interferências em sistemas de comunicação e computadores.
O nível de irradiação permitido nos fornos de microondas, por órgãos internacionais,
não deve exceder 1 mW/cm2 a 5 cm do ponto de emissão da energia, quando o sistema é
novo, e deve ser inferior a 5 mW/cm2 a 5 cm do ponto de emissão, no caso de sistemas com
algum tempo de uso.
A blindagem nos acessos de um aplicador pode ser feita de diversas maneiras,
dependendo da necessidade. A figura 2.28 apresenta dois aplicadores com blindagens
diferenciadas nos acessos, adequados para processamento de produtos volumosos.
34
Figura 2.28 – Aplicador para produtos volumosos. a) Sem cargas absorventes.
b) Com cargas absorventes.[20]
O uso de cargas d’água é um meio eficiente de blindagem para as microondas.
Entretanto, a energia que ultrapassa os limites do aplicador, não é mais reaproveitada no
processo, mas absorvida pelas cargas d’água. É uma solução aplicada, preferencialmente,
quando se trabalha com produtos volumosos e em processamento contínuo, onde as aberturas
para entrada e saída do material são grandes.
Neste trabalho usa-se uma carga d’água em cada acesso. Cada uma delas tem 50 cm de
comprimento e uma lâmina d’água de 5 cm em qualquer das dimensões que circundam os
acessos.
As figuras 2.29 e 2.30 ilustram a estrutura de blindagem nos acessos do aplicador
construído.
35
Figura 2.29 – Carga d’água isolada, para blindagem nos acessos do aplicador.
Figura 2.30 – Carga d’água acoplada ao aplicador.
36
2.6 – DETALHES DA CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
O aplicador foi construído a um custo de US$ 4.250,00, constando da seção central do
sistema, com 3 m de comprimento e seção reta de 0,35 x 0,35 m, além da coifa para exaustão
do aplicador e das lâminas para diminuição da fuga de energia e conseqüente melhoria da
eficiência do protótipo.
O Anexo 5 apresenta um esquema do aplicador com suas principais dimensões. O
Anexo 6 mostra detalhes das medidas do aplicador, destacando o posicionamento das
magnetrons e dos guias de acoplamento.
As lâminas colocadas nas conexões da seção central do aplicador com as cargas
d’água foram dimensionadas para a forma do produto a ser processado. Elas são removíveis e
podem ser substituídas por outras com aberturas diferentes, caso o material apresente-se sob
outro formato. As aberturas devem permitir a passagem do material e, ao mesmo tempo,
diminuir ao máximo a distância do material em relação às suas bordas. As dimensões de uma
das lâminas são mostradas na figura 2.31.
320
225
abertura
dimensões em mm
60
30
170
30 60
Figura 2.31 – Lâmina dos acessos do aplicador.
As cargas d’água foram confeccionadas em acrílico de 8,0 mm de espessura e são
acopladas diretamente ao aplicador, tendo sido as lâminas colocadas entre os mesmos. A
figura 2.32 apresenta as dimensões das cargas d’água.
37
extensão para
encaixe no
aplicador
5 cm
35 cm
35 cm
ÁGUA
ÁGUA
ÁGUA
35 cm
45 cm
5 cm
5 cm
50 cm
45 cm
5 cm
b)
a)
Figura 2.32 – Dimensões das cargas d’água. a) Vista lateral. b) Vista frontal.
O armário para as fontes de alimentação, bem como sete estruturas em forma de
gaveta onde as fontes foram montadas, custaram US$ 500,00. No armário foram instalados
um exaustor para ajudar na refrigeração das fontes, alem de uma chave magnética trifásica
(30-40 A, 12,5-15 CV) para proteção do sistema elétrico do protótipo. O custo de cada fonte
foi em torno de US$ 250,00. O peso total do armário com as seis fontes é de
aproximadamente 160 kg. A figura 2.33 mostra o dimensionamento do armário, enquanto que
a figura 2.34 apresenta a estrutura em alumínio para suporte da fonte modular.
tomada de alimentação
exaustor
chave magnética
100 cm
fonte modular
51 cm
108 cm
Figura 2.33 – Principais dimensões do armário das fontes modulares.
38
tomadas de
alimentação
das válvulas
24 cm
49 cm
32 cm
Figura 2.34 – Principais dimensões da estrutura de suporte das fontes modulares.
2.7 – CONSIDERAÇÕES GERAIS NO PROJETO
O projeto de um sistema para processamento de um determinado produto, através do
uso da energia de microondas, é uma etapa fundamental que contribui decisivamente para o
êxito do trabalho. Faz-se necessário avaliar as diversas possibilidades de construção do
equipamento, considerando as particularidades de cada projeto.
A figura 2.35 apresenta uma rotina simplificada para o projeto de sistemas de
processamento por microondas. Essa metodologia, entretanto, não pretende ser a melhor ou a
única das opções, mas apenas orientar, de modo bastante genérico, os passos a serem seguidos
em um projeto cuidadoso de um sistema de aquecimento por microondas.
39
Definir o objetivo do projeto:
aquecimento, secagem, esterilização, etc.
Levantar características do material a ser processado:
permissividade elétrica, condutividade térmica e elétrica, tamanho, forma, volume, etc.
Verificar se existem restrições no processamento:
máxima temperatura suportável pelo material, sensibilidade às microondas,
disponibilidade de energia AC, etc.
Definir como contornar as dificuldades.
Definir tipo e tamanho do aplicador:
batelada, contínuo, ondas progressivas, cavidade, etc.
Determinar a potência e o número de válvulas a usar.
Definir o tipo de refrigeração da(s) válvula(s)?
Definir se haverá integração com outros sistemas e de que forma.
Definir como alimentar o aplicador:
guias de acoplamento, válvulas diretamente acopladas.
Definir os itens de segurança para os usuários e para o equipamento.
Verificar a viabilidade técnica e econômica do sistema.
SIM
O sistema é técnica e
economicamente viável?
NÃO
Buscar outra alternativa para o
processamento.
Executar o projeto.
Figura 2.35 – Esquema simplificado para projeto de sistemas de processamento por
microondas.
40
CAPÍTULO 3
TESTES COM O PROTÓTIPO E RESULTADOS OBTIDOS
3.1 – INTRODUÇÃO
Os testes realizados visaram basicamente conhecer o comportamento do protótipo,
avaliando seus pontos positivos e negativos.
O protótipo, no momento dos testes, ainda não contava com o sistema de transporte do
produto. Assim, observou-se o comportamento de algumas partes específicas do protótipo e
suas possíveis influências no sistema como um todo.
3.2 – FONTE DE ALIMENTAÇÃO MODULAR
Para se controlar a potência de saída de uma válvula magnetron, podem-se usar três
maneiras: variar o campo magnético, variar o ciclo de operação da válvula ou mesmo alterar o
projeto de sua fonte de alimentação.[21]
O primeiro modo é o mais utilizado de todos, onde uma variação no campo magnético,
resulta em uma correspondente alteração na corrente de anodo e, conseqüentemente, na
potência de saída da magnetron. Essa é a opção, geralmente utilizada nas magnetrons para
aplicações industriais encontradas no mercado.
O segundo método, implementado com um baixo custo, opera a magnetron com
períodos de tempo em que ela está ligada, intercalados com outros em que está desligada, o
que para algumas aplicações pode ser inconveniente. É entretanto, um método simples, usado
nos fornos domésticos a microondas.
A terceira opção permite uma saída de potência estável, porém implica em um alto
custo e uma maior complexidade da fonte de alimentação.
Nos fornos a microondas domésticos, onde utilizam-se magnetrons com potências da
ordem de 900 W, a fonte de alimentação conta com um autotransformador associado ao
estágio dobrador-retificador de tensão, onde encontra-se um único capacitor de alta tensão,
com características na faixa de 0,88 µF - 0,98 µF/2200 V.
Neste trabalho, testou-se um melhor casamento entre o transformador de alta tensão e
o estágio dobrador-retificador de tensão da fonte modular.
41
Em cada uma das fontes modulares que compõem o sistema, tem-se um transformador
de alta tensão para alimentação do anodo da válvula, com uma impedância de saída diferente
daquela encontrada nos autotransformadores dos fornos a microondas domésticos.
Assim, após a realização do levantamento da característica de impedância de saída do
referido transformador, observou-se que uma capacitância com 1,33 µF/2200 V, possibilitaria
um melhor casamento transformador-dobrador-retificador de tensão.
A tabela 3.1, apresenta os resultados dos testes de potência, realizados com uma das
fontes modulares contendo ora uma capacitância de 0,93 µF/2200 V e ora outra de 1,86
µF/2200 V, alimentando um forno a microondas doméstico. Em todos os casos, o tempo de
processamento foi de 2 minutos e a quantidade de água usada foi de 1 litro.
Tabela 3.1 – Teste de potência da magnetron tipo SHARP, modelo 2M172AJ(L1)3,
alimentada por uma fonte modular.
C
TI
TF
IF
IA
IFONTE
P
0,93
25,2
35,3
11,8
275,0
2,4
303,5
0,93
25,5
34,5
12,5
300,0
2,6
315,0
0,93
27,2
36,0
13
300,0
2,6
308,0
0,93
33,0
41,0
12,5
300,0
2,7
280,0
0,93
34,0
42,7
12,8
310,0
2,7
304,5
1,86
25,1
43,0
11,8
460,0
4,6
626,5
1,86
26,9
44,0
11,8
460,0
4,6
598,5
1,86
30,8
48,2
11,8
480,0
4,8
609,0
1,86
30,9
49,7
11,8
480,0
4,8
658,0
1,86
30,3
48,5
11,8
480,0
4,8
637,0
M1
M2
312,2
625,8
onde,
C – capacitância usada (µF),
TI – temperatura inicial da água (0 C),
TF – temperatura final da água (0 C),
IF – corrente de filamento da magnetron (A),
IA – corrente de anodo da magnetron (mA),
IFONTE – corrente de alimentação da fonte modulada (A),
M1 – média das potências calculadas usando uma capacitância de 0,93 µF/2200 V,
42
M2 – média das potências calculadas usando uma capacitância de 1,86 µF/2200 V,
P - potência desenvolvida pela magnetron (W), dada por:[22]
P = 35(TF – TI).
(3.1)
Concluiu-se preliminarmente, que o uso de uma capacitância de 1,86 µF/2200 V na
fonte modular, quando comparado com o uso de uma capacitância de 0,93 µF/2200 V,
aumentou a potência extraída da magnetron em torno de 100%. Por outro lado, o consumo da
fonte quando operava com a capacitância de 0,93 µF foi de 572,0 W, enquanto que quando a
capacitância era de 1,86 µF o consumo foi de 1.034,0 W. No primeiro caso a eficiência de
conversão de potência foi de 54,5% enquanto que no segundo foi de 60,5%.
Observou-se ainda uma considerável variação nos valores de potência, o que pode ser
atribuído ao fato de ter sido desconsiderado o intervalo de tempo, entre o momento em que o
sistema foi desligado e o instante em que a medição da temperatura final da água foi
realizada. Quanto maior o valor da temperatura final, maior é o decréscimo da temperatura,
para um mesmo intervalo de tempo.
A figura 3.1 apresenta os dados de potência da magnetron referentes à tabela 3.1.
Potência fornecida pela magnetron
700
600
Potência (W)
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Capacitância
0,93
0,93
0,93
0,93
0,93
1,86
1,86
1,86
1,86
1,86
Potência (W)
353,5
315,0
308,0
280,0
304,5
626,5
598,5
609,0
658,0
637,0
Figura 3.1 – Potência fornecida pela magnetron em função da capacitância da fonte modular.
43
3.3 - TESTE DE POTÊNCIA DO APLICADOR
O conhecimento da potência desenvolvida no aplicador, bem como o modo como esta
se distribui no seu interior, é importante para um melhor controle na qualidade do produto
processado. Desse modo, realizou-se uma série de testes de potência, com cargas d’água
distribuídas ao longo do interior do aplicador, com uma, mais de uma, ou todas as válvulas
ligadas. O Anexo 7 mostra a distribuição das fontes no armário de alimentação e o
posicionamento das válvulas a elas associadas. Além disso, testou-se o uso de capacitâncias
diferentes, 0,93 µF/2200 V ou 1,86 µF/2200 V, nas fontes modulares do sistema.
As tabelas 3.2 e 3.3 mostram dois testes realizados com quatro recipientes refratários
fixos. O primeiro usou recipientes contendo, em média, 400 g de água cada um, enquanto que
no segundo, os quatro recipientes continham 310 g de água cada. Os recipientes foram
distribuídos uniformemente no aplicador, separados por uma distância de 60 cm entre o centro
de um recipiente e seu(s) adjacente(s). Os testes foram realizados, com todas as seis fontes
ligadas, em um intervalo de tempo de dez minutos, considerando, em um primeiro momento,
o uso de uma capacitância de 0,93 µF/2200 V, no estágio dobrador-retificador de tensão e,
posteriormente, uma capacitância de 1,86 µF/2200 V.
Os resultados mostraram, no primeiro caso, uma potência de 1.613,25 W,
desenvolvida no aplicador, enquanto que na segunda situação, a potência verificada foi de
2.630,23 W. Assim, o aumento da potência foi de 63 %.
Tabela 3.2 – Resultado do teste de potência no aplicador, sem cargas d'água, sem esteira
transportadora e com todas as magnetrons ativas (C = 0,93 µF).
∆Θ
73,5
mia1
403,1
mia2
401,7
mia3
401,1
mia4
403,5
73,5
73,5
73,5
maf1
358,3
maf2
339,4
maf3
346,8
maf4
355,7
∆m1
44,8
∆m2
62,3
∆m3
54,3
∆m4
47,8
∆t
600
600
600
600
Q1
375,50
Q2
440,58
Q3
410,19
Q4
386,98
Qf
1.613,25
As expressões usadas para a calcular a potência absorvida pela água foram:[8]
Qx =
mc p ∆Θ + ∆mL
∆t
,
(3.2)
4
Q f = ∑ Qi ,
(3.3)
i =1
44
miax - massa inicial de água no recipiente x (g),
mafx - massa final de água no recipiente x (g),
Qx - potência absorvida pela água do recipiente x (W),
Qf - potência total absorvida no processamento (W),
∆t - tempo de processamento (s),
m – massa inicial da água contida no recipiente (g),
cp – calor específico da água (4,193 J/g0 C),
∆Θ - variação de temperatura até o ponto de ebulição da água (0 C),
∆m – variação da massa de água durante o processo (g),
L – calor latente de ebulição da água (2.256 J/g).
A figura 3.2 ilustra a distribuição dos recipientes no aplicador.
1
60 cm
60 cm
4
3
2
60 cm
60 cm
60 cm
Figura 3.2 - Disposição eqüidistante dos quatro recipientes no aplicador.
A figura 3.3 apresenta a potência absorvida em cada um dos recipientes, além da
potência total entregue ao aplicador.
Teste de Potência
1800,0
1600,0
1400,0
Potência (W)
1200,0
1000,0
800,0
600,0
400,0
200,0
0,0
Potência
Recipiente 1
Recipiente 2
Recipiente 3
Recipiente 4
Total
375,50
440,58
410,19
386,98
1.613,25
Figura 3.3 - Distribuição de potência em diferentes posições no aplicador (C = 0,93 µF).
45
Observou-se uma maior absorção de potência nos recipientes próximos ao centro do
aplicador (recipientes 2 e 3). Além disso, a potência média absorvida por cada recipiente foi
de 403,3 W.
Na segunda etapa das medições, com C = 1,86 µF, verificaram-se os resultados
mostrados na tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Resultado do teste de potência no aplicador, sem cargas d'água, sem esteira
transportadora e com todas as magnetrons ativas (C = 1,86 µF).
∆Θ
74,9
mia1
311,9
mia2
310,5
mia3
310,1
mia4
312,6
74,9
74,9
74,9
maf1
189,5
maf2
173,4
maf3
158,7
maf4
197,3
∆m1
122,4
∆m 2
137,1
∆m3
151,4
∆m4
115,3
∆t
600
Q1
623,48
Q2
678,02
Q3
731,58
Q4
597,15
600
600
600
Qf
2.630,23
Novamente os recipientes mais ao centro do aplicador (2 e 3), absorveram mais
potência. A potência total aumentou 63% em relação ao uso de uma capacitância de 0,93µF.
A figura 3.4 apresenta a potência absorvida em cada um dos recipientes, além
da potência total entregue ao aplicador, quando C = 1,86 µF.
Teste de Potência
3000,0
2500,0
Potência (W)
2000,0
1500,0
1000,0
500,0
0,0
Potência
Recipiente 1
Recipiente 2
Recipiente 3
Recipiente 4
Total
623,48
678,02
731,58
597,15
2.630,26
Figura 3.4 – Distribuição de potência em diferentes posições no aplicador (C = 1,86 µF).
46
Após os primeiros testes de potência, decidiu-se observar melhor a distribuição de
potência entre as magnetrons no aplicador, usando-se a capacitância de 1,86 µF/2200 V nas
fontes modulares. Para isso usou-se um único recipiente refratário, com 1.250 g de água,
colocado no centro do aplicador. A tabela 3.4 apresenta os dados obtidos nessa etapa.
Tabela 3.4 – Valores obtidos no teste de potência do sistema variando o número de válvulas
ativas.
Ident
∆T
maf
∆m
∆t
Qf
Apenas válvula 1
72,8
1.228,0
22,0
600
718,66
Apenas válvula 2
71,9
1.226,6
23,4
600
716,06
Apenas válvula 3
74,8
1.223,3
26,7
600
753,80
Apenas válvula 4
74,6
1.218,6
31,4
600
769,73
Apenas válvula 5
74,2
1228,7
21,3
600
728,26
Apenas válvula 6
73,6
1.226,8
23,2
600
730,16
Válvulas 1 e 2
74,5
1.215,0
35,0
600
782,39
Válvulas 3 e 4
73,3
1.187,4
62,6
600
875,68
Válvulas 5 e 6
72,0
1.204,0
46,0
600
801,91
Válvulas 1, 2 e 3
72,5
1.148,0
102,0
600
1.016,84
Válvulas 4, 5 e 6
73,3
1.156,0
94,0
600
993,75
Válvulas 1, 2, 5 e 6
74,3
1146,0
104,0
600
1.040,08
Válvulas 3, 4,5 e 6
71,9
1033,4
216,6
600
1.442,49
As 6 válvulas
75,8
1.212,3
37,7
180
2.679,66
onde,
Ident – identificação das válvulas ativas,
∆T – variação da temperatura até o ponto de ebulição da água (0 C),
∆m – variação da massa de água no processo (g),
Qf – potência absorvida pela água (W),
∆t – tempo de processamento (s),
maf – massa final de água no recipiente (g).
47
A figura 3.5 apresenta o comportamento da potência diante das várias composições de
válvulas ativas. O Anexo 7 mostra a disposição das fontes e das válvulas no sistema.
Potência entregue ao aplicador
3000,0
2500,0
Potência total (W)
2000,0
1500,0
1000,0
500,0
as
6
ul
lv
5
vá
6
As
s
V
ál
vu
la
vu
la
s
3,
4,
5
e
6
e
6
2,
5
1,
s
V
ál
ál
V
ál
V
vu
la
vu
la
s
4,
2
1,
5
s
vu
ál
V
e
3
e
6
e
4
e
la
s
ál
V
ál
V
vu
la
vu
la
s
3
e
1
ul
vá
s
na
pe
2
6
a
5
lv
ul
a
4
A
A
pe
na
s
vá
lv
ul
a
3
lv
vá
s
na
pe
A
A
pe
na
s
vá
lv
ul
a
2
a
ul
lv
vá
s
na
pe
A
A
pe
na
s
vá
lv
ul
a
1
0,0
Válvulas em operação
Figura 3.5 – Potência no aplicador em função do número e da posição das válvulas ativas.
Os testes revelaram um acoplamento entre as válvulas, provocando uma diminuição na
potência no aplicador com todas as válvulas funcionando, 2.679,66 W. Esse resultado é
proporcionalmente menor, se comparado com aquele devido a uma única válvula ativa, acima
de 700 W. Esse efeito pode ser atribuído a um acoplamento indesejável entre as válvulas.
Em função de uma instabilidade observada na corrente de anodo das válvulas 1 e 6 e o
conseqüente
desempenho
insatisfatório
na
potência
obtida,
foram
necessárias
novas
verificações no sistema de alimentação das magnetrons.
Ainda nesta etapa, observou-se o comportamento da temperatura em algumas partes
importantes do sistema. Os valores obtidos nessas medições estão apresentados na figura 3.6.
48
Comportamento da temperatura em alguns pontos do sistema
40,0
35,0
0
Temperatura ( C)
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
Tarm
TventA
TventB
Exaustor
Fontes 3 e 4
28,0
37,0
34,0
31,0
Fontes 5 e 6
27,4
31,0
31,5
29,7
Fontes 1, 2 e 3
28,0
33,4
29,6
30,5
Fontes 4, 5 e 6
27,0
29,0
33,0
28,0
Fontes 1, 2, 5 e 6
26,6
37,5
36,0
33,0
Fontes 3, 4, 5 e 6
27,7
39,0
35,0
35,0
Figura 3.6 – Comportamento da temperatura nas saídas de ventilação e exaustão do sistema.
Onde a primeira coluna da tabela indica as fontes ativas,
Tarm – temperatura na saída do exaustor do armário de fontes,
TventA – temperatura na primeira saída do duto de ventilação das válvulas ,
TventB – temperatura na segunda saída do duto de ventilação das válvulas ,
Exaustor – temperatura na saída do exaustor do aplicador.
Observou-se em todos os pontos medidos que a temperatura ficou abaixo de 40 0 C, o
que é excelente.
Preparou-se, então, o sistema com oito recipientes fixos, ainda com C = 1,86 µF,
igualmente espaçados no aplicador. Após dez minutos de operação ininterrupta, as correntes
de anodo das válvulas haviam subido de 460 mA para 600 mA. As fontes 1 e 6 começaram a
apresentar uma instabilidade na corrente de anodo das válvulas a elas associadas. Em seguida,
essas correntes começaram a cair lentamente, o que caracterizava diminuição na emissão de
elétrons do catodo das magnetrons. Com vinte minutos de operação, a fonte 1 acusou uma
corrente de anodo de 150 mA. O sistema foi então desligado e a válvula, associada à fonte 1,
49
retirada para observação. Verificou-se que a mesma havia sido danificada, assim como aquela
que estava ligada à fonte 6, que também acusou uma corrente de anodo inferior a 200 mA.
As válvulas foram substituídas e repetiu-se o experimento. Novamente a fonte 1
mostrou-se instável após quinze minutos de operação.
Retirando-se a válvula do aplicador, comparou-se o comportamento da temperatura
externa do anodo de duas magnetrons refrigeradas a ar forçado, instaladas em um forno a
microondas doméstico, porém alimentando-o com uma fonte modular, primeiramente com
uma capacitância de 0,93 µF/2200 V e, em seguida, com outra de 1,86 µF/2200 V.
Observou-se que, enquanto na primeira situação a temperatura externa do anodo da
válvula manteve-se abaixo de 250 0 C, na segunda ela atingiu 650 0 C em apenas 10 minutos de
funcionamento. A corrente de anodo novamente apresentou-se instável com o aumento da
capacitância, aumentando até 800 mA e depois diminuindo lentamente até 200 mA.
Concluiu-se, assim, que a válvula estava operando acima de sua capacidade de
corrente de anodo e, por isso , superaqueceu.
Como não havia disponibilidade de capacitância de 1,33 µF/2200 V, calculada para o
casamento com o transformador de alta tensão, optou-se pelo uso de uma capacitância de
0,93 µF/2200 V nas fontes modulares, reduzindo assim a potência entregue ao aplicador.
Desse modo, novos testes de potência foram realizados com oito recipientes refratários
igualmente espaçados, contendo cada um deles, em média, 300 g de água.
A tabela 3.5 apresenta o comportamento das correntes de anodo e de filamento nas
magnetrons associadas às diversas fontes.
Tabela 3.5 – Comportamento das correntes de anodo e filamento nas magnetrons.
Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte Fonte
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Tempo If1
If2
If3
If4
If5
If6
Ia1
Ia2
Ia3
Ia4
Ia5
Ia6
(min)
(A)
(A)
(A)
(A)
(A)
(A) (mA) (mA) (mA) (mA) (mA) (mA)
0
8,5
8,5
9,5
9,0
8,5
9,5
240
260
250
280
250
270
13
8,5
8,5
9,5
8,5
8,5
9,5
300
315
300
305
300
315
25
8,5
8,5
9,0
8,5
8,5
9,0
320
340
300
300
300
315
onde,
Tempo – instante da medição (min),
Ifx – corrente de filamento na válvula x (A),
Iax – corrente de anodo na válvula x (mA),
50
Fonte x – identificação da fonte.
As figuras 3.7 e 3.8 apresentam o comportamento das correntes da tabela 3.5.
Variação da corrente de filamento
11,5
11
10,5
10
If (A)
9,5
9
8,5
Fonte 1
Fonte 2
Fonte 3
Fonte 4
Fonte 5
Fonte 6
8
7,5
7
6,5
0
5
10
15
tempo (min)
20
25
30
Figura 3.7 – Comportamento da corrente de filamento nas magnetrons.
O comportamento verificado para as correntes de filamento foram iguais nas fontes 1,
2 e 5. O mesmo ocorreu entre as fontes 3 e 6.
Observa-se que as correntes de filamento tendem a se estabilizar entre 8,5 A e 9,0 A, o
que é bastante razoável.
Corrente de anodo
370
350
330
Ia (mA)
310
Fonte 1
Fonte 2
Fonte 3
Fonte 4
Fonte 5
Fonte 6
290
270
250
230
210
0
5
10
15
tempo (min)
20
25
30
Figura 3.8– Comportamento da corrente de anodo nas magnetrons.
51
As correntes de anodo também procuram se estabilizar em torno de 320 mA, atestando
a consistência do projeto, quando comparado com o comportamento das fontes dos fornos a
microondas domésticos, que registram, em média, correntes de filamento de 8 A e correntes
de anodo de 300 mA.
Mediu-se também a variação das correntes de alimentação das fontes modulares, além
da corrente em cada uma das componentes trifásicas do sistema. Os dados coletados estão
mostrados na tabela 3.6.
Tabela 3.6 – Comportamento das correntes de alimentação das fontes e das fases da rede
elétrica.
Corrente nas fases da rede
elétrica
Tempo
Ir1
Ir2
Ir3
(min)
(A)
(A)
(A)
0
9,5
10
9,5
Corrente de alimentação das fontes
modulares
IF1
IF2
IF3
IF4
IF5
IF6
(A)
(A)
(A)
(A)
(A)
(A)
2,4
2,4
2,3
2,4
2,4
2,5
13
-
-
-
2,4
2,4
2,4
2,3
2,4
2,5
25
9,5
10
9,5
2,4
2,4
2,3
2,4
2,3
2,5
A figura 3.9 apresenta os dados da tabela 3.6.
Corrente de alimentação das fontes
2,7
2,6
Fonte
Fonte
Fonte
Fonte
Fonte
Fonte
2,5
2,4
IF
(A)
1
2
3
4
5
6
2,3
2,2
2,1
2
0
5
10
15
tempo (min)
20
25
30
Figura 3.9 – Comportamento da corrente de alimentação em cada fonte modular.
52
Observa-se uma pequena variação nas correntes de alimentação das fontes, que não
comprometem o sistema.
Já as correntes das componentes trifásicas de alimentação do sistema não apresentaram
variações significativas, ficando entre 9,5 A e 10 A, conforme mostrado na tabela 3.6.
3.4 - TESTE DE REFRIGERAÇÃO E EXAUSTÃO DO SISTEMA
Usando-se um termômetro digital, SALVITERM 710, monitorou-se a variação da
temperatura nos acessos de saída do exaustor do aplicador, dos dutos de ventilação das
válvulas, do exaustor das fontes modulares, além da superfície do transformador de alta
tensão das fontes. Os resultados observados, apresentados na figura 3.6, demonstraram a
eficiência do projeto. Entretanto, uma medição da temperatura do corpo das magnetrons
poderia dar maior consistência a esta afirmação.
3.5 – CONSIDERAÇÕES GERAIS
Os testes realizados demonstraram que alguns ajustes precisam ser efetuados no
protótipo, especialmente no que concerne a potência desenvolvida.
Problemas associados à imprecisão mecânica nos guias de acoplamento e no
posicionamento
e
usinagem
das
aberturas
para
encaixe
desses
guias,
além
da
indisponibilidade no mercado do valor necessário para a capacitância da fonte de alimentação,
contribuíram para que o resultado não fosse exatamente o esperado.
O protótipo, no entanto, ainda será testado com o material a ser beneficiado, papel
prensado, sendo transportado continuamente através de uma esteira acoplada ao sistema.
Além disso, novos capacitores de alta tensão de 1,3 µF já foram importados para
substituir os de 0,93 µF utilizados nos primeiros testes. Essa medida deverá solucionar o
problema de instabilidade na corrente de anodo verificada, e garantir maior confiabilidade às
válvulas.
Uma outra possibilidade de se conseguir a capacitância necessária para as fontes é a
utilização de três capacitores de 0,93 µF, sendo dois conectados em série e o terceiro em
paralelo com os dois primeiros, resultando em uma capacitância equivalente de 1,395 µF.
53
CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou uma breve abordagem do uso da energia microondas com
o propósito de aquecimento de materiais, além da discussão do projeto e construção de um
protótipo de forno industrial a microondas, e a realização de testes com o equipamento.
Inicialmente, mostrou-se que o uso da energia de microondas em aplicações de
aquecimento, pode ser uma alternativa bastante viável, se direcionada para produtos com
alto fator de perdas e que também apresentem alto valor agregado. Apesar das vantagens
exclusivas que este tipo de aquecimento oferece, ele não pode ser considerado como a
melhor solução para todos os casos, mas deve ser visto como uma opção que merece ser
considerada, e que pode ser combinada com outros processos de aquecimento.
Nas etapas de projeto, construção e testes desse protótipo, observou-se algumas
vantagens, tais como: baixo custo do sistema (US$ 15.000,00); característica modular da
alimentação, facilitando a manutenção e tornando-a rápida e barata; operação simples e
segura do sistema, reduzindo os riscos de acidentes. Estas são vantagens que podem
contribuir para a diminuição dos preconceitos, que ainda cercam de reservas o uso do
aquecimento por microondas em aplicações industriais.
As desvantagens observadas foram:
• Inexistência, em Belém do Pará, de mão-de-obra especializada para a construção
da parte mecânica do protótipo, resultando em imperfeições nas dimensões
estabelecidas no projeto;
• Serviço de soldagem apresentando falhas, de modo desnecessário, aumentando
as perdas do sistema e os riscos para o operador;
• Imperfeições no acoplamento mecânico entre os guias de acoplamento e o
aplicador, ocasionando perdas de energia;
• Posição e tamanho das fendas no aplicador,. construídas fora dos padrões de
projeto, comprometendo o acoplamento da energia no acoplador;
• Dificuldade de obtenção, no mercado nacional, de capacitores de alta tensão
com 1,3 µF, impossibilitando o aumento da potência extraída das válvulas, com
confiabilidade;
• Dificuldades para estabelecer medições de fuga de energia do aplicador, em
função de avaria no medidor de potência, o que, por questões de segurança,
54
implicou em um superdimensionamento das cargas d'água, nos acessos do
aplicador;
• Indisponibilidade
do
produto
a
ser
processado
durante
os
testes,
impossibilitando uma aferição da distribuição de energia sobre o material;
• Esteira transportadora não construída, influenciando nos resultados, já que esses
foram feitos com os recipientes contendo água, em posições fixas no aplicador;
• Na busca de versatilidade para o protótipo, construiu-se um aplicador com
volume bem maior que o necessário para a secagem do produto a ser
processado. Essa situação, mantendo-se fixo o número de válvulas, diminui a
densidade de potência no aplicador e, em geral, aumenta o tempo de exposição
do material.
Em relação ao protótipo anteriormente construído[5], este trabalho destaca-se por
realizar o acoplamento da energia no aplicador através de guias de acoplamento, e não de
forma direta, válvulas-aplicador. Essa medida aumenta a vida útil das válvulas, pois
aumenta a perda de retorno no trecho guias de acoplamento-válvulas.
Algumas medidas podem ser tomadas para melhorar esse protótipo e outros no
futuro, tais como:
1.
Projetar o posicionamento e as dimensões das fendas de acoplamento conforme,
por exemplo, as orientações de outros autores[1,16,23], buscando diminuir o
acoplamento entre as válvulas e aumentar a potência entregue ao aplicador;
2. Construir o sistema com maior precisão no corte das partes mecânicas e nas
etapas de soldagem das peças. Isso pode diminuir sensivelmente problemas de
fuga de energia e melhorar a eficiência do sistema;
3. Dotar as válvulas de microondas para uso doméstico, de um sistema de
refrigeração mais eficiente (água, por exemplo), a fim de que estas apresentem
maior confiabilidade em aplicações industriais, mesmo quando sujeitas a uma
corrente de anodo mais elevada;
4. Utilizar o capacitor de alta tensão com o valor mais próximo possível do
calculado, de modo a extrair uma maior potência da válvula, sem que esta se
apresente instável e superaqueça a ponto de ser danificada;
55
5.
Realizar testes mais completos do comportamento do sistema com o produto a
ser beneficiado, para que ajustes de potência e de controle de fuga de energia
sejam feitos com maior rigor. Esta providência poderá otimizar o tamanho das
cargas d’água nos acessos e tornará a operação mais eficiente.
É importante salientar que esse protótipo está sendo incorporado à linha de
processamento de uma indústria, e representa um marco positivo nas relações da
universidade com a iniciativa privada, na área de aquecimento por microondas para fins
industriais.
Espera-se, assim, contribuir para que novas ações nesse campo sejam concretizadas,
e que pequenas indústrias possam beneficiar seus produtos usando uma tecnologia
competitiva no mercado.
56
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
T. V. C. T. Chan and, C. H. Reader, “Understanding Microwave Heating
Cavities”, Artech House, 2000.
[2]
www.mit.edu/invent.
[3]
A. S. Mujumdar, “Handbook of Industrial Drying”, Vol. 1, Marcel Dekker, Inc.,
1995.
[4]
J. Thuery, “Microwaves: Industrial, Scientific and Medical Applications”, Artech
House,1991.
[5]
A. L. S. Castro,”Desenvolvimento de um Protótipo de Secador por Microondas”,
Tese de Mestrado apresentada no Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Pará, 1994.
[6]
P. F. Combes, J. Graffeiul and J. F. Sautereau, “Microwave Components, Devices
and Active Circuits”, John Wiley & Sons., 1987.
[7]
A. E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr., A. Kusko, “Máquinas Elétricas”, McGraw-Hill,
1975.
[8]
J. T. Pinho, “Utilização de Microondas no Processamento de Produtos Regionais
da Amazônia”, Tese apresentada em concurso para Professor Titular da matéria
Eletromagnetismo na Universidade Federal do Pará, 1996.
[9]
M. George, G. Campbell, and A. Jarvis, “Temperature Variation During Microwave
Heating: Identification and Quantification of Contributing Factors”, Fifth
International Conference on Microwave and High Frequency Heating, University of
Cambrige, 1995, pp. G5.1-G5.4.
[10]
H. S. Hauck.,”Design Considerations for Microwave Oven”, Microwave Journal,
1980, pp, 44-50.
[11]
J. Chang and M. Brodwin, “A New Applicator for Efficient Uniform Heating Using
a
Circular
Cylindrical
Geometry”,
Journal
of
Microwave
Power
and
Electromagnetic Energy, Vol. 28, N0 1, 1993, pp.32-40.
[12]
F. C. R. Wroe, “Scaling up the Microwave Firing of Ceramics”, Microwaves:
Theory and Application in Materials Processing II, Ceramic Transactions, Vol. 36.
1993, PP. 449-457.
57
[13]
H. D. Kimrey et al., “Microwave Sintering of Zirconia-toughened Alumina
Composites”, Microwave Processing of Materials II (Mat. Res. Soc. Symp. Proc.),
Vol. 189, 1991, pp. 243-255.
[14]
A. C. Johnson et al., “Use of a Variable Frequency Microwave Furnace for LargeArea, Uniform Processing”, Microwaves: Theory and Application in Materials
Processing II, Ceramic Transactions, Vol. 36, 1993, pp. 563-570.
[15]
R. J. Lauf et al., “2 to 18 GHz Broadband Microwave Heating Systems”,
Microwave Journal, Nov., 1993, pp. 24-34.
[16]
R. S. Elliott, “The Design of Small Slot Arrays”, IEEE Transactions on Antennas
and Propagation, Vol. AP-26, N02, Mar.,1978, pp. 214-219.
[17]
Industrial Microwave Catalog, Richardson Electronics, Ltd., 1996.
[18]
A. T. F. Cruz, “Montagem de uma Bancada de Testes para Determinação do
Tempo de Vida Útil de Válvulas Magnetron”, Trabalho de Conclusão de Curso,
Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Pará, outubro de 2000.
[19]
T. Y. Otoshi,, ”A Study of Microwave Leakage Through Perforated Flat Plates”,
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Mar. 1972, pp. 235-236.
[20]
A. C. Metaxas, R. J. Meredith, “Industrial Microwave Heating”,Peter Peregrinus
Ltda., United Kingdom, 1988.
[21]
E. J. S. Pereira and J. T Pinho, “Protótipo de Forno Industrial de Microondas de
Baixo Custo”, IX SBMO, 2000, pp.478-482.
[22]
S. R. Antunes, “Reparação de Forno de Microondas”, Elite Treinamento e
Assessoria Técnica, 1993.
[23]
R. V. Decareau and R. A. Peterson, “Microwave Processing and Engineering”,
Ellis Horwood, 1986.
58
Placa de Circuito Impresso
Chave Elétrica
470K / ½W
Cabo 22 / AM
Cabo 22 / PR
Lâmpada
de
Neon
100R/5W
Cabo 22 / VM
Conector Sindal
9mm2 / 250V
100nF/400V
82K
TIC263-D
Conector Sindal
16mm 2 / 500V
Cabo 20 / PR
Rede
Elétrica
220VAC
Fusível - 10A
Conector Sindal
25mm 2 / 500V
Cor
dos
Fios
Cor
dos
Fios
étricos
Elétricos
VM
Vermelho
VM - Vermelho
VRVR- Verde
- Verde
PRPR- Preto
- Preto
AM
Amarelo
AM - Amarelo
AZAZ- Azul
- Azul
BRBR- Branco
Branco
Cabo 10 / VM
Conector Sindal
25mm 2 / 500V
Cabo 10 / VM
2
2
0
V
3,15V
13.5A
Cabo 10 / BR
Cabo 10 / PR
0,93µF/2200VA
2
2
0
V
Fundo de escala 25A
(Imax = 50A)
A
Cabo 10 / VM
2
0
0
0
V
Cabo 10 / VM
S
K
|
3
1
0
9
Conector Sindal
25mm 2 / 500VF
A
Conector Sindal
25mm 2 / 500V
A
miliamperímetro
Cabo 10 / VM
Fonte de Alimentação da Válvula Magnetron
Quadro de Operação
Cabo 10 / CZ(comum)
Cabo 10 / VM
Figura A1.1 – Esquema elétrico das fontes modulares para alimentação das válvulas magnetron.
F
M
a
g
n
e
t
r
o
n
ANEXO 2
(dimensões em mm)
450
420
420
420
420
420
450
60
350
60
65
11
3000
Figura A2.1 - Disposição das fendas de acoplamento no aplicador.
60
ANEXO 3
(dimensões em mm)
70
30
6
36m
10
31
115
16
75
10
30
20
215
255
Figura A3.1 - Dimensões da parte superior do guia de acoplamento.
61
(dimensões em mm)
50
215
20
20
a)
10
10
115
75
10
20
21
70
50
b)
Figura A3.2 - Dimensões lateral (a) e inferior (b) do guia de acoplamento.
62
ANEXO 4
f(GHz)
2,00
2,10
2,13
2,20
2,30
2,40
2,405
2,41
2,415
2,42
2,425
2,43
2,435
2,44
2,445
2,45
2,455
2,46
2,465
2,47
2,475
2,48
2,485
2,49
2,50
2,60
2,61
2,62
2,63
2,70
2,80
2,90
3,00
GUIA 3
S11 (dB)
-0,266
-1,34
-6,30
-3,70
-4,18
-15,5
-16,9
-18,6
-20,7
-23,2
-26,5
-29,8
-30,7
-27,4
-24,2
-21,8
-19,9
-18,4
-17,2
-16,16
-15,3
-14,6
-14,0
-13,4
-12,7
-7,14
-6,90
-6,60
-6,30
-5,50
-11,15
-6,70
-1,42
SWR
60,00
12,70
2,88
4,70
4,20
1,40
1,33
1,25
1,20
1,14
1,099
1,06
1,066
1,09
1,136
1,17
1,22
1,27
1,32
1,37
1,23
1,45
1,50
1,54
1,63
2,56
2,67
2,78
2,90
3,23
1,77
2,73
12,46
Figura A4.1 - Variação do SWR e do S11 com a freqüência em um dos guias de acoplamento.
63
(dimensões em mm)
APLICADOR
exaustor
seção central chapa perfurada
300
280
CARGA D’ÁGUA
CARGA D’ÁGUA
350
350
70
500
Esteira transportadora
450
420
420
Tubulação para refrigeração
das magnetrons
420
3000
420
420
450
Base de teflon para a esteira
Orifício com caixa de acoplamento
sob a base de teflon
Figura A5.1 – Esquema com dimensões e constituição básica do aplicador.
Figura A5.1 – Esquema com dimensões e constituição básica do aplicador.
Figura A5.1 – Esquema com dimensões e constituição básica do aplicador.
(dimensões em mm)
500
(dimensões em mm)
CARGA D’ÁGUA
APLICADOR
VISTA LATERAL
COIFA
EXAUSTOR
ESTEIRA
MAGNETRON
500
450
420
420
42
420
420
450
DUTOS DE VENTILAÇÃO
GUIAS PARA ACOPLAMENTO
Figura A6.1 - Vista lateral do aplicador. Principais dimensões.
500
ANEXO 7
6
1
3
4
2
5
a)
FONTE
MODULAR
1
FONTE
MODULAR
4
FONTE
MODULAR
2
FONTE
MODULAR
5
FONTE
MODULAR
3
FONTE
MODULAR
6
b)
Figura A7.1 – a) Disposição das válvulas no aplicador.
b) Disposição das fontes no armário de alimentação.
66