docε δ δ ε ε µ π δ - Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii
download 
Reklamacja Transkrypt
ε δ δ ε ε µ π δ - Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii
60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl Temat nr 22: Badanie kuchenki mikrofalowej 1.Wiadomości podstawowe Metoda elektrotermiczna mikrofalowa – polega na wytworzeniu ciepła we wsadzie głównie na skutek przepływu prądu przesunięcia (polaryzacji) (i ewentualnie prądu przewodzenia) przez ciało stałe lub ciecz, poddane działaniu promieniowania mikrofalowego o częstotliwości od kilkuset MHz do kilkuset GHz. Energia elektromagnetyczna przenosi się od magnetronu (gdzie jest wytwarzana) poprzez falowód do wnęki rezonansowej w której umieszczony jest wsad. Czasami wsad umieszcza się naprzeciw otwartego końca falowodu. Pole elektromagnetyczne wnikając do wsadu powoduje wystąpienie w nim zjawisk polaryzacji, które prowadzą do przepływu prądu polaryzacji. Jednocześnie występuje zjawisko silnego tłumienia pola elektromagnetycznego i wywołana tym nierównomierność wydzielania mocy cieplnej i nagrzewania. Jeśli płaska fala elektromagnetyczna o gęstości powierzchniowej mocy p (W/m2). pada na dielektryk to część tej mocy (pr) ulegnie odbiciu, a pozostała moc (ps) wniknie do dielektryka Rys.1 Rozkład mocy wnikającej do dielektryka przy padaniu fali płaskiej Natężenie pola wewnątrz dielektryka maleje wykładniczo. Określa to wzór: Ex = E0e − x δ (1) gdzie E0 to natężenie na powierzchni granicznej, a Ex na głębokości x. Wielkość δ (mierzona w m) oznacza tzw. głębokość wnikania, określaną jako głębokość, na której natężenie pola E w porównaniu z powierzchnią maleje e-krotnie. Wielkość tą określa wzór δ= 1 π µ0ε 0ε r f ⋅ tgδ ≈ 0,95 ⋅ 108 -1- 1 f ⋅ tgδ ⋅ ε r (2) 60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl gdzie µ0 i ε0 to magnetyczna i dielektryczna przenikalność próżni, f – częstotliwość pola, a tgδ to współczynnik strat dielektrycznych. Moc wydzielana w jednostce objętości wsadu pv zależy od: - parametrów pola (natężenie E i częstotliwość f), - parametrów wsadu (przenikalność względna elektryczna εr, współczynnik strat dielektrycznych tgδ), - odległości od powierzchni x. a wzór określający gęstość objętościową mocy pv w odległości x od powierzchni ma postać: pvx = 55.64 ⋅ 10−12 ε r ⋅ tgδ ⋅ f ⋅ E02 ⋅ e − 2x δ (3) Kuchenka mikrofalowa jest urządzeniem przeznaczonym do szybkiego rozmrażania i ogrzewania produktów żywnościowych, rzadziej do ich gotowania i pieczenia. Działanie polega na wykorzystywaniu silnego pola zakresu mikrofal - 2,45 GHz. Mikrofale w kuchence mikrofalowej wytwarzane są przez magnetron zbudowany z katody otoczonej anodą, oraz dwóch magnesów. Katoda, wykonując ruch obrotowy, emituje elektrony, które krążą wokół anody w zmiennym polu elektrycznym i magnetycznym. Do anody podłączone są obwody rezonansowe. Powodują one drganie pola elektromagnetycznego. Tak wytworzone pole emituje energię w postaci promieniowania mikrofalowego. Mikrofale wysyłane są do kuchenki falowodem. Częstotliwość drgań jest tak dobrana, aby oddziaływanie na cząsteczki wody było maksymalne. Pochłanianie energii przez cząsteczki wody powoduje, że drgają one i obracają się. Poprzez zderzenie przekazują energię innym cząsteczkom powodując podgrzewanie umieszczonego w kuchence produktu. Powstające fale elektromagnetyczne odbijają się od ścianek wnętrza kuchenki i powstają w ten sposób fale stojące, które przenoszą różną wartość energii. W "węzłach" występuje E=0, a na wierzchołkach fali Emax, z tego powodu produkt umieszczany jest wewnątrz na obrotowym talerzu. -2- 60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl Zdjęcie oraz budowa magnetronu. Rys. 1 Budowa magnetronu [1] Rys. 2 Magnetron [2] Schemat elektryczny kuchenki mikrofalowej. -3- 60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl 2. Przebieg ćwiczenia 2.1 Wykonać oględziny wnętrza kuchenki mikrofalowej, zapoznać się ze schematem elektrycznym – nazwać poszczególne części. Zapoznać się z tabliczką znamionową. Napięcie zasilające [V] Częstotliwość napięcia zasilającego f [Hz] Max moc pobierana z sieci P1 [W] Max moc użyteczna P2 [W] Zakres częstotliwości mikrofalowej f [MHz] 2.2 Zbadać sposób regulacji wielkości mocy mikrofalówki. Wstawić do komory 3 szklanki z wodą. Dla 3 kolejnych cykli pracy kuchenki (1 cykl to kolejne załączenie i wyłączenie magnetronu) wykonać pomiary czasu trwania załączenia tz i wyłączenia tw magnetronu oraz pobieranej przez mikrofalówkę w tych okresach mocy Px, dla kolejnych nastaw mocy mikrofalówki. Obliczyć średnią moc Psr dla każdej nastawy. Nastawa Magnetron załączony Czas tz [s] Magnetron wyłączony Czas cyklu pracy Moc średnia Psr T [s] [W] Moc Pz Czas tw Moc Pw [W] [s] [W] 2.3 Zbadać przestrzenny rozkład mocy w komorze. Badanie przeprowadzić kolejno dla małego (1 szklanka zapełniona w ¾ wodą) i dużego wsadu (9 szklanek zapełnionych w ¾ wodą). -4- 60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl 2.3.1 Przypadek małego wsadu Wyjąć talerz obrotowy i umieścić w komorze dolną półkę. Zmierzyć masę szkła oraz wody. Szklankę z wodą (wsad) umieścić na pozycji 1 dolnej półki. Po zmierzeniu temperatury wody (przyjmujemy, że szkło ma taka samą temperaturę) nagrzewać wsad pełną mocą przez 30 s mierząc moc pobieraną z sieci; po zakończeniu nagrzewania zmierzyć ponownie temperaturę wsadu. Powtórzyć pomiary dla kolejnych punktów dolnej, a potem górnej półki, korzystając z tej samej szklanki z taką same ilością wody. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli. Obliczyć przyrosty temperatur wody, szkła oraz moce wydzielające się w poszczególnych punktach komory. pozycja wsadu (1 szklanka z wodą) półka............. Temperatura Ilość ciepła początkowa końcowa o o tp [ C ] tk [ C ] dla szkła Q1 [J] dla wody Q2 [J] 11 12 13 21 22 23 31 32 33 Masa szkła [g] Masa wody [g] -5- Razem masa wsadu moc we wsadzie P [W] 60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl 2.3.2 Przypadek dużego wsadu Umieścić w komorze jednocześnie 9 szklanek napełnionych wodą na dolnej półce. Dla każdej szklanki zmierzyć masę szkła, wody oraz jej temperaturę przed nagrzewaniem. Nagrzewać wsad pełną mocą przez 120 s mierząc moc pobieraną z sieci, następnie zmierzyć temperaturę wody w każdej ze szklanek oddzielnie. Powtórzyć pomiar dla wsadu umieszczonego na górnej półce. Obliczyć przyrosty temperatur wody i moce wydzielające się w poszczególnych punktach komory. pozycja wsadu: półka... ............ Temperatura masa szkła [g] masa wody [g] masa wsadu [g] początkowa końcowa tp [oC] tk [oC] Ilość ciepła dla szkła Q1 [J] dla wody Q2 [J] 11 12 13 21 22 23 31 32 33 Moc urządzenia [W] Sumaryczna moc wsadu [W] Czas pracy [s] -6- moc we wsadzie na danej pozycji P [W] 60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl 2.4 Zbadać sprawność kuchenki w zależności od wielkości wsadu. Umieścić talerz obrotowy w kuchence. Dla pracy kuchenki na pełnej mocy przez 90 s wykonać pomiary nagrzewania się kolejno: A. ½ szklani wody, B. 1 szklanka wody, C. 3 szklanek wody, D. 6 szklanek wody E. 9 szklanek wody. Przed nagrzewaniem zmierzyć masę szkła, masę wody oraz średnią temperaturę wsadu. W trakcie nagrzewania mierzyć moc kuchenki, a po średnią temperaturę nagrzanego wsadu. Obliczyć przyrosty temperatur i moc wydzieloną we wsadzie. Wyznaczyć wykres sprawności w funkcji masy wsadu w komorze. Wsad Masa Szkła Wody m2[g] m1[g] Temperatura Początkowa Końcowa tp [oC] tk [oC] Ciepło Szkła Wody Q1 [J] Q2 [J] Moc Sprawność P[W] η[%] A B C D E 2.5 Badanie nagrzewania się różnych materiałów Dla maksymalnej mocy grzania i czasu 90 s umieścić jednocześnie na obrotowym talerzu po jednej szklance z wodą, kaszą i suchym piaskiem. Zmierzyć masę wsadów, ich temperatury przed i po grzaniu, moc pobieraną z sieci w trakcie nagrzewania. Obliczyć przyrosty temperatur i moc wydzieloną we wsadzie. Wyznaczyć sprawności. -7- 60-965 Poznań ul.Piotrowo 3a tel. (0-61) 6652688, fax (0-61) 6652389 http://lumen.iee.put.poznan.pl Wsad Masa Szkła Wody m1[g] m2[g] Temperatura Początkowa Końcowa tp [oC] tk [oC] Ciepło Szkła Wody Q1 [J] Q2 [J] Moc Sprawność P[W] η[%] woda kasza piasek 3. Stałe, oznaczenia i wzory Ciepło właściwe Materiał Ciepło właściwe kJ/kg deg Woda 4,19 Szkło 0,67 Kasza 1,85 Piasek 0,7 Oznaczenia: m - masa cw - ciepło właściwe tk - temperatura końcowa tp - temperatura początkowa Wzory: Ilość ciepła Q=m*cw*(tk-tp) Moc wsadu Pw = Sprawność η = (Q1 + Q2 ) t Pw ⋅ 100 [%] Purz 4. Literatura 1. Hauser J.: Elektrotechnika – podstawy elektrotermii i techniki świetlnej. Wyd PP, Poznań, 2006 2. Hering M.: Podstawy elektrotermii cz.II, WNT, Warszawa, 1998 3. Gozdecki T., Hering M., Łobodziński W.: Elektroniczne urządzenia grzejne. WSiP, Warszawa, 1986 -8-
