Mikrovlny

Mikrovlnami je nazývána část elektromagnetického záření s vlnovou délkou od 1 cm do 1 m. Pro průmyslové účely je určena globálně frekvence 2,45 GHz s odpovídající vlnovou délkou 12,2 cm.
Naše firma s úspěchem využívá mikrovlnné záření k vysoušení a likvidaci dřevokazných škůdců

Princip a využití mikrovlnných metod

Milan Hájek, Ústav chemických procesů A V ČR, Praha

Úvod
S mikrovlnami se setkáváme nejčastěji v kuchyni při přípravě jídla v mikrovlnné troubě. Mikrovlnnou troubou je v současnosti vybavena většina domácností, ale princip mikrovlnného ohřevu většina uživatelů nezná. Jak vlastně funguje mikrovlnná trouba? Mikrovlny vznikají přeměnou elektrické energie na mikrovlnnou energii v generátoru, který se nazývá magnetron. Vzniklé mikrovlny jsou vedeny vlnovodem do vnitřního prostoru trouby, kde se rozptýlí. Rozptýlení však není rovnoměrné a tak může dojit k některým komplikacím, jak uvidíme dále. V troubě dojde k absorpci mikrovln potravinou, obecně absorbujícím materiálem, a k přeměně mikrovln na teplo. Jak vzniká toto teplo a co jsou to mikrovlny lze vysvětlit následujícím způsobem. Mikrovlny nejsou ionizačním zářením, jak jsou někdy mylně nazývány, ale jsou to elektromagnetické vlny, které zaujímají v elektromagnetickém spektru oblast mezi infračerveným zářením a radiovými vlnami. Jedná se o oblast frekvencí od 300 MHz do 30 GHz, což odpovídá vlnovým délkám od 1 cm do 1 m. Pro použiti v mikrovlnných troubách je povolena frekvence 2450 MHz, to odpovídá vlnové délce 12,2 cm. K tomu, proč byla zvolena tato frekvence jsou dva důvody: Jednak je to velmi vhodná oblast pro ohřev vody a za druhé je to vymezená frekvence z důvodu vyloučeni interference s telekomunikačními frekvencemi (navigace letadel, televizní vysíláni, mobily atd.). Z historického pohledu byly mikrovlny objeveny počátkem 40-tých let v Anglii na univerzitě v Birminghamu. První využiti mikrovln se uskutečnilo během 2. světové války ve formě radaru. V roce 1947 si všiml zaměstnanec firmy Raytheon, USA (výrobce radaru), že se mu v blízkosti radaru roztavila čokoláda. To ho přimělo k myšlence zkonstruovat mikrovlnnou troubu. První patent se objevil v r. 1952 a první mikrovlnná trouba (zatím dosti primitivní) se objevila v r. 1961. 0 rok později byla v New Yorku otevřena první restaurace, kde se podávala jídla připravená v mikrovlnné troubě. Pro domácnosti se mikrovlnné trouby začaly rozšiřovat až v 80-tých letech, jako výsledek japonské technologie sériové výroby magnetronů.

Jaký je princip metody mikrovlnného ohřevu?
Z hlediska materiálu a jeho interakce s mikrovlnami existuji 3 možnosti:
a) transparentní (např. sklo)
b) absorpční (např. voda)
c) odrážející (např. kovy)

Nás zajímá především případ b), tj. interakce mikrovln s vodou, ať už se Jedná o vařeni či sušeni. Voda je polární látka (tj. se záporným nábojem na kyslíku a kladným na vodíku), V normálním stavu jsou molekuly vody v neuspořádaném stavu, v elektrickém poli dojde k orientaci molekul podle polarity (kladná část k zápornému polu, záporné ke kladnému pólu), Co se vsak stane s molekulami vody při vystavení v elektromagnetickém, tj. v mikrovlnném po!i? Polarita vysokofrekvenčního elektromagnetického pole se mění více než 109krát za sekundu. To nutí polární molekulu přizpůsobit se těmto rychlým změnám, ale sotva se přizpůsobí, již se polarita opět změní. To vyvolá oscilační vibrace, kdy dochází ke srážkám molekul vody (a k dielektrické ztrátě). To se projeví jako teplo, tj. dojde k přeměně mikrovlnné energie na tepelnou.

Mechanismus přeměny mikrovlnné energie na teplo je dán vztahem:
P = 2×p×f×e'×e"×E2
P = energie absorbovaná v jednotce objemu (W/m)
f = frekvence mikrovlnného pole (2460 MHz)
e' = permitivita (F/m)
e" = dielektrický ztrátový faktor materiálu
E = intenzita elektrického pole uvnitř materiálu (V/m)

Jaké jsou charakteristické vlastnosti mikrovln, vlastnosti, které neexistují u klasického ohřevu?

Objemový ohřev - k ohřevu dochází v celém objemu, tj. zevnitř a nikoliv přestupem tepla od povrchu dovnitř, jak je tomu u klasického ohřevu. To může přispívat k rovnoměrnosti ohřevu, avšak záleží na tvaru, velikosti a složeni materiálu. Záleží na teplotním profilu, který je opačný než u ohřevu klasického, Nejvyšší teplota je uvnitř a klesá směrem k povrchu. Selektivní ohřev - k ohřevu u více složkového materiálu dochází jen u složky, která absorbuje mikrovlny. Neadsorbující složka se neohřívá. nebo jen vedením od ohřáté složky (např. směsi voda-tuk, voda-olej, voda-papír atp.). Při sušeni se např. selektivně ohřívá jen vlhkost a sušení je mnohem rovnoměrnější a úspornější než při klasickém sušeni. Může však dojit l k nerovnoměrnému ohřevu, to je třeba pak řešit (např. snížením výkonu na pulzní systém). Podrobněji viz dále. Lokální přehřátí - k nerovnoměrnému ohřevu nemusí dojit jen v důsledku selektivního ohřevu, ale nejčastěji k němu dochází v důsledku nehomogenity mikrovlnného pole. Mikrovlnné pole rozptýlené v prostoru trouby není nikdy zcela homogenní, tj. existují místa s vyšší a nižší intenzitou (tzv. „not spots"), která mohou způsobit až místní přepáleni materiálů. V kuchyňských mikrovlnných troubách se tento jev potlačuje rotačním talířem, u průmyslových zařízeni běžícím pásem. Teplotní úlet - dochází k němu jen ve výjimečných případech, kdy síla absorpce mikrovln prudce stoupá s teplotou (např. u práškových kovů). U vody tento případ nehrozí, neboť absorpce mikrovln s teplotou klesá - může však dojít k přehráti vody nad 100 °C.

Využití mikrovlnného ohřevu
Nejrozšířenější využiti mikrovlnného ohřevu je pň ohřevu potravin, ať v domácnostech či v průmyslu. Potravinářský průmysl využívá mikrovln k rozmrazováni (bloky masa), pečeni (slanina), ale v hojné míře i k sušen! např. ovoce, zeleniny, těstovin, chipsů atd. V ostatních průmyslových oblastech se mikrovlny využívají k sušeni textilu, kůže, bavlny, keramiky, tabáku, dřeva, léčiv, chemikálii atd. Známé je i sušení papíru při jeho výrobě v papírnách (USA, Čína). Bylo zveřejněno (EIMAC, Varian Assoc.. USA), že sušeni papíru probíhalo rovnoměrné na požadovanou hodnotu (nebylo třeba přesoušení a opětné dovlhčení jako u klasického sušeni), Kromě toho se ušetřilo 50 % energie. Nejvýhodnější bylo hybridní uspořádáni, tj. kombinace mikrovlnného a horkovzdušného sušeni. Vysoušeny byly rovněž tiskařské inkousty při různých typech tisku (litografickém, ofsetovém, typografickém). Kvalita tisku byla vyšší a barvy sytější než při sušeni horkým vzduchem. Závěrem lze shrnout, že z výše uvedených informaci o principu, vlastnostech a možnostech využití mikrovlnného ohřevu vyplývá řada výhod, ale i omezeni této metody, Aby mikrovlny sloužily úspěšně danému účelu, je třeba ke každému případu přistupovat individuálně za předem zjištěných optimálních podmínek. O tom, jak se to daří, budou pojednávat další příspěvky, týkající se vysoušení archiválii, zdi a likvidace mikroorganismů a plísni.

Literatura:
G. Roussy, J.A. Pearce: Foundations and Industrial Applications of Microwave and Radio Frequency Fields , John Wiley&Sons, Chichester, 1995.
A.C. Metaxas, R.J. Meredith: Industrial Microwave Heating, Peter Peregninus Ltd,Stevenege,1993.