Microwave processing/ar

بيانات الموقع

جاري تحميل الخريطة... {"minzoom":false,"maxzoom":false,"mappingservice":"leaflet","width":"auto","height":"200px","centre":false,"title":"","label":"","icon":"","lines":[],"polygons":[],"circles":[],"rectangles":[],"copycoords":false,"static":false,"zoom":1,"defzoom":14,"layers":["OpenStreetMap"],"image الطبقات":[]، التراكبات:[]، قابل للتغيير في الحجم: خطأ، ملء الشاشة: خطأ، تكبير عجلة التمرير: صحيح، المجموعة: خطأ، أقصى تكبير للمجموعة: 20، نقرة واحدة على نقرة واحدة على نقرة واحدة: صحيح، أقصى نصف قطر للمجموعة: 80، عنكبوت العنقود: صحيح، جغرافيا:","هدف النقر":","طبقات الصور:[]، المواقع:[{"text":"","title":"","link":"","lat":44.230686111111111813443130813539028167724609375، خط الطول:-76.48132222222221798801911063492298126220703125، رمز":""}]، تراكبات الصور: لا شيء} +- منشور | © مساهمو OpenStreetMap

موقع

كينغستون ، كندا

ظهرت أفران الميكروويف كجهاز لمعالجة الأغذية في أربعينيات القرن الماضي. وتتوفر التقنية اللازمة لتسخين المواد عبر الموجات الدقيقة في مطابخ أمريكا الشمالية. ورغم شيوعها في حياتنا، إلا أن معالجة الموجات الدقيقة لم تبدأ بالتطور إلا مؤخرًا في قطاع معالجة المواد. وقد أدى التحسن في فهم خصائص امتصاص الموجات الدقيقة إلى طرح تقنيات جديدة لتحسين الامتصاص. وفي المقابل، تُكتشف تطبيقات جديدة لهذه التقنية القديمة نسبيًا. وقد أتاحت التطورات الحديثة للعالم أنظمة ميكروويف مستمرة للاستخدام التجاري، والقدرة على تلبيد المعادن المسحوقة والسيراميك الشفاف.

الخصائص الحرارية الفيزيائية للتسخين بالميكروويف

يعتمد تسخين مادة باستخدام الطاقة الكهرومغناطيسية على قدرة المادة على امتصاص طاقة محددة بكفاءة. وكما هو موضح في فرن الميكروويف القياسي للمطبخ، فإنه ممكن تمامًا لمجموعة من المواد وسريع مقارنةً بطرق التسخين التقليدية. وبالمقارنة مع طرق التسخين التقليدية، فإن معالجة الميكروويف لديها إمكانية زيادة المواد وكفاءة الطاقة. من خلال نقل الطاقة عبر الموجات الكهرومغناطيسية، لا يقتصر انتقال الحرارة على الجسيمات الموجودة على سطح المادة فقط، بل يمكن نقلها إلى جميع الجسيمات، مما يسمح بزيادة معدلات انتقال الحرارة. ونظرًا لأن الطاقة تنتقل باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية ^W ، التي لديها القدرة على اختراق طبقات السطح، يوجد ملف تعريف درجة حرارة جديد لمعالجة الميكروويف. ونظرًا لأن التسخين لم يعد يعتمد على مساحة السطح، بل يعتمد الآن على الحجم، يوجد ملف تعريف تسخين عكسي. ومع ذلك، تعتمد كفاءة تحويل الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى حرارة على عدد من العوامل.

خصائص العازل ^W

تفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع المواد مما يؤدي إلى إنتاج الحرارة يعمل من خلال آليات التوصيل والاستقطاب ^W تُمكّن الموجات الكهرومغناطيسية من إعادة تنظيم ثنائي القطب، من خلال حركة ثنائيات القطب ودورانها، مما يُضيف طاقة إلى المادة. ^{[ 1 ]} تميل كفاءة تحويل الطاقة إلى حوالي 50%، حسب نوع المادة. تحدث خسائر نتيجة التوصيل الأيوني والاستقطاب.

تختلف الخواص العازلة للمواد باختلاف البنية الجزيئية، وقوة الرابطة الذرية، ونوعها. لا تزال الأبحاث في الخواص العازلة غير كافية، ولم تتمكن العلاقات المقابلة من التنبؤ بدقة بالخواص الدقيقة لنفاذية المادة العازلة ^(W) . على الرغم من فهم التفاعل بين الموجات الدقيقة والمواد، يُعتقد أن هذا التفاعل يعتمد على عوامل مثل البنية ونوع الرابطة، مما يؤثر بشكل كبير على النفاذية. تؤثر الخواص العازلة على معاملات الامتصاص والانعكاس للمواد، مما يسبب مشاكل متنوعة، بدءًا من ضعف اختراق الموجات الكهرومغناطيسية ووصولًا إلى شفافية التردد.

الامتصاص

اعتمادًا على الخواص العازلة، قد يختلف معامل الامتصاص لمادة، كالسيراميك، اختلافًا كبيرًا. وبتغير الزمن ودرجة الحرارة وقوة المجال والحجم، ينبغي اعتبار كفاءة الامتصاص قيمة متغيرة. وتُعتبر المواد ذات معامل الامتصاص المنخفض شفافة، حيث يكون الاختراق كاملًا.

العوامل المؤثرة على الامتصاص موضحة أدناه:

• الاعتماد على التردد - قد يكون التردد المثالي لتسخين مادة سيراميكية ما غير مرئي لمادة سيراميكية أخرى، وذلك حسب الخصائص العازلة أو الميكانيكية، مثل تركيب عامل التعبئة ودرجة الحرارة. وقد أظهرت الترددات العالية التي تصل إلى نطاق 300 جيجاهرتز زيادة في استخدام المواد غير الماصة، واستخدامها في التطبيقات التي تتطلب معدلات تسخين عالية.
• الاعتماد على درجة الحرارة - يُلاحظ أثناء تسخين المواد أن معدل الامتصاص يزداد مع درجة الحرارة. يُلاحظ أن هذه الخاصية تؤدي إلى تسارع انتقال الحرارة والتسخين عند درجات حرارة عالية، بالإضافة إلى التسبب في مشاكل في المعالجة، مثل سرعة تغير درجة الحرارة، حيث تتغير أسرع من المتوقع في البداية.
• عمق السطح - عمق مادة تكون فيها قوة المجال ١/e أو ٣٧٪ من القوة الأولية. ويعتمد العمق على التردد والخواص العازلة، ويؤثر على مكان انتقال الحرارة. في فرن الحمل الحراري، تنتقل الحرارة عبر إشعاع تردد الأشعة تحت الحمراء، ويحدث التوصيل عبر مساحة السطح.

الانعكاس

عندما تسقط موجة على سطح مستوٍ، أي تنتقل من الهواء إلى جسم صلب، ينعكس جزء منها على السطح.

تطبيق في علم المعادن المسحوقة ^[

فوائد المعالجة

يُعدّ تطبيق المعالجة بالموجات الدقيقة في مجال مساحيق المعادن مفيدًا في المعالجة. ويبدو أن الفوائد المرتبطة بذلك ناتجة عن نمط درجة الحرارة العكسي، والإثارة الذرية أثناء التلبيد.

• زيادة الإنتاج
• التدفئة الانتقائية
• التدفئة الموحدة
• التحكم الدقيق في التدفئة ^{[ 1 ]}
• بنية الحبيبات - يُلاحظ نمو حبيبات أصغر قليلاً عند استخدام المعالجة بالموجات الدقيقة بدلاً من التسخين التقليدي. في أغلب الأحيان، توجد حبيبات أصغر حول حواف المواد المُلبَّدة. يُفسر ذلك نظريًا بعكس نمط التسخين المرتبط بالمعالجة واتجاه تدفق الطاقة. كما أن انخفاض وقت التلبيد يُقلل من نمو الحبيبات المرتبط بالتسخين.
• الكثافة - أظهر تلبيد السيراميك زيادة طفيفة في الكثافة مقارنةً بالتسخين التقليدي. ومع ذلك، تكون هذه الزيادة في الكثافة أكثر انتشارًا عند درجات الحرارة المنخفضة. وقد وجد تلبيد Ce-Y-ZrO2 عند درجات حرارة مختلفة فروقًا قصوى في الكثافة بنسبة 15%، وعند مقارنة الكثافة بالكثافة النظرية، حدث التلبيد عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية. أجريت التجربة بواسطة Z.Xie وآخرون ^{[ 2 ] [ 3 ] .}
• الخواص الميكانيكية - نتيجةً لمعالجة الميكروويف، تُحسَّن الخواص الميكانيكية للصلابة والقوة. ويُعزى ذلك إلى انخفاض حجم حبيبات السطح وزيادة الكثافة. ^{[ 2 ]}

تلبيد المعادن

تم تجنب استخدام التلبيد المعدني على نطاق واسع، نظرًا لارتفاع انعكاسيته وشفافيته في درجة حرارة الغرفة، وبالتالي فإن المعادن ليست مثالية للاستخدام مع الموجات الدقيقة. ولكي يحدث التلبيد، يجب أن تكون المعادن في شكل مسحوق لضمان التسخين الفعال. ^{[ 4 ]} ومع ذلك، فقد أجريت تجارب باستخدام مستقبلات لإثبات جدوى ذلك. قارنت إحدى الحالات التسخين التقليدي والميكروويف مع وبدون مستقبلات (قضبان كربيد السيليكون وطلاء قائم على الكربون). أدى استخدام الطلاء القائم على الكربون إلى تقليل وقت التلبيد الإجمالي إلى النصف، حيث تم الاحتفاظ بمدة تثبيت لمدة 20 دقيقة عند درجة الحرارة. ثبت أن المعالجة بالميكروويف باستخدام قضبان كربيد السيليكون ضارة بوقت التلبيد. ^{[ 5 ]}

تحسين كفاءة الطاقة

نظرًا لأن مستويات الامتصاص الأولية للعديد من المواد منخفضة للغاية، فإن التقنيات التي تمت مناقشتها هي طرق للتغلب على هذه المشكلة وزيادة انتقال الحرارة.

تجويف الرنين

باستخدام مبدأ كفاءة الانعكاس للميكروويف، يمكن زيادة التسخين. من خلال استخدام تجويف معدني عاكس، يمكن أن يؤدي ارتداد الإشعاع الكهرومغناطيسي عبر المادة إلى زيادة الامتصاص بشكل كبير. ستمر موجة معينة عبر عينة عدة مرات بفعالية مما يزيد من شدة المجال الكهرومغناطيسي. سيؤدي التداخل البناء بين الموجات الكهرومغناطيسية إلى إنتاج قوى مجال أكبر باستخدام تردد قريب من تردد استقالة الرنان، وبالتالي فهو مثالي. ينطبق استخدام ترتيب الرنين على كل من المواد عالية ومنخفضة الخسارة. ينتج التجويف أحادي الوضع نمط موجة واقفة واحد، بينما يحتوي التجويف متعدد الوضع على أنماط موجات واقفة متعددة ^{[ 6 ].} تتطلب التجاويف أحادية الوضع حجمًا محددًا لإنتاج الموجة الواقفة المطلوبة، مما يقلل من التنفيذ في الصناعة نظرًا لوجود حجم معالجة محدود. في حين أن التجاويف ذات الأحجام الأكبر من الطول الموجي المستخدم تكون مفضلة، لأن الأوضاع المتداخلة تسبب تسخينًا أكثر اتساقًا. ^{[ 1 ]}

المستقبلات

تُعرف طبقة الطلاء أو الطبقة العازلة المحيطة بمادة التلبيد باسم "المستقبل". عادةً ما تكون طبقات الطلاء، أو الأغلفة، المحيطة بالسطح الخارجي للمادة. يعتمد استخدامها عمومًا على خصائص الامتصاص، حيث تسمح مستقبلات التردد العالي الشفافة بدخول الحرارة وتُستخدم لمنع توصيل الترددات المنخفضة من الخروج. بينما تُستخدم الطلاءات لتسخين المواد ذات خصائص الامتصاص المنخفضة، عن طريق امتصاص الموجات الدقيقة ونقل الحرارة بالتوصيل. ^{[ 7 ] [ 5 ]}

أفران هجينة

التسخين المسبق عبر تقنيات أخرى - يُعدّ تهجين أنظمة التسخين بالحمل الحراري التقليدية مع أنظمة معالجة المواد الحديثة شائعًا في الصناعة. وكما هو الحال في العديد من المواد، يزداد معامل الامتصاص مع زيادة درجة الحرارة. في كثير من الحالات، مع انخفاض كسب المواد، من الشائع إجراء مرحلة التسخين المسبق باستخدام التسخين التقليدي، أو استخدامهما معًا. ^{[ 8 ]}

إضافة المواد المذابة

المواد المذابة - يمكن إضافة مواد مذابة معلقة إلى المواد لزيادة الكفاءة. استخدام مواد مذابة عالية الكسب في المواد منخفضة الكسب يُغيّر نمط امتصاص الحرارة.

المواصفات الفنية

الاختيار الصحيح للتردد، وشدة المجال، والتحكم في درجة الحرارة، والعزل في الفرن سيتحكم في الكفاءة النهائية لأي عملية. يمكن استخدام موجات الميكروويف التي تتراوح تردداتها بين 1 و300 جيجاهرتز. ومع ذلك، يُستخدم جزء كبير من نطاق ترددات الموجات الدقيقة حاليًا في تقنيات الاتصالات والرادار. يُستخدم ترددان محددان فقط بشكل عام في التطبيقات الصناعية والعلمية، وهما 915 ميجاهرتز و2.45 جيجاهرتز. وتُحدد حدود شدة المجال عند 10 مللي فولت/متر على ارتفاع 1600 متر للسخانات الصناعية. ^{[ 6 ]}

الاقتصاد

تتراوح تكاليف التلبيد المتوقعة باستخدام تقديرات تكلفة معالجة الميكروويف من 0.40 دولار ^{[ 6 ]} إلى 0.155 دولار. ^{[ 9 ]} تنشأ الاختلافات من الاختلافات في النمذجة، والتي تتعلق بشكل أساسي بجوانب الحجم وسعر الكهرباء والمواد المعالجة. كلما ارتفع سعر الألومينا، انخفض سعر السيراميك المتوسط. ^{[ 6 ]} يُعتقد أن كفاءة تحويل الطاقة باستخدام كفاءة تسخين الميكروويف تبلغ حوالي 80-90٪. ومع ذلك، بالنظر إلى أن تحويل الوقود الأحفوري إلى كهرباء فعال بنسبة 30٪ -40٪ وأن تحويل الكهرباء إلى موجات كهرومغناطيسية فعال بنسبة 50٪ تقريبًا. تمثل الكفاءة الكلية البالغة 12٪ كفاءة المعالجة. في حين أن الحرق التقليدي للوقود الأحفوري، فإن امتصاص الحرارة المفيدة يكون فعالًا بنسبة 40٪ تقريبًا. ومع ذلك، فإن تطبيق الحرارة مباشرة على عملية التلبيد فعال بنسبة 40٪ تقريبًا. من الممكن استخدام مصادر طاقة أخرى، وقد تم تقدير أن استخدام الميكروويف بدلاً من الفرن الكهربائي أكثر كفاءة بنسبة 90% ^{[ 10 ] . [ يحتاج إلى التحقق ]}

المراجع

بيانات الصفحة

جزء من	ميك370
الكلمات الرئيسية	معالجة المواد ، تجهيز الأغذية ، التسخين
المؤلفون	س. فريزر ، مجهول1
رخصة	CC-BY-SA-3.0
المنظمات	جامعة كوينز
لغة	الإنجليزية (en)
متعلق ب	0 صفحات فرعية ، 4 صفحات رابط هنا
تأثير	134 مشاهدة للصفحة ( المزيد )
مخلوق	14 نوفمبر 2008 بقلم س. فريزر
آخر تعديل	30 أبريل 2024 بقلم كاثي ناتيفي
استشهد باسم	س. فريزر ، مجهول (2008-2024). "معالجة الموجات الدقيقة" . Appropedia . تاريخ الاسترجاع: 31 مارس 2025 .
استعلامات API	basic, semantic, html, files, more