Archivos Mensuales: mayo 2018

Basis of Microwave Heating

Microwave oven has become very popular in recent years, and has become an essential appliance in any kitchen. However, microwave heating seems an esoteric, almost magical, issue for many people who have the oven at their home. In this post we are going to explain the basis of microwave heating, not only for the food heating, but also for industrial heating and HDW (hot domestic water).

In 1946, a British researcher from the Raytheon Corporation, Mr. Percy Spencer, working on RADAR applications, discovered that a candy bar in his pocket was melted. He was testing a magnetron and began experimenting, confining the EM field inside a metal cavity. He tested first with corn and then with a chicken egg. This latter one exploded.

He verified that a high intensity EM field affected food due to the presence of water inside. Water is a bad propagator of radio waves, because it has a high dielectric constant and losses. Being a polar molecule, when a variable EM field is applied, the dipole tends to be oriented in the direction of the field, and that makes the water molecule is agitated, increasing its temperature. The popular belief is that this only happens at 2,4 GHz, but it actually happens throughout the microwave band. This frequency is used by the ovens because it is a frequency within a free emission band known as ISM (short for Industrial, Scientific and Medical). However, there are heating processes at 915MHz and another frequencies..

First, the water, like almost all dielectrics, has under normal conditions a complex dielectric constant ε=ε’−jε”. When this complex dielectric constant is introduced into the Maxwell equations, the complex term means a dielectric conductivity, by the next expression

\sigma = \omega \epsilon" \epsilon_0

This conductivity is not produced by the mobility of electrons, but by the mobility of the polar molecules of water. Therefore, it is higher as the frequency is increased.

On the other hand, the presence of this conductivity limits the microwaves penetration in the water, attenuating the EM intensity with distance. It is related to the depth of penetration, expressed by

\delta_p=\dfrac {\lambda \sqrt{\epsilon'}}{2 \pi \epsilon"}

and therefore at higher frequency, lower penetration depth. If the intensity of the electric field is |E|, and, by the Ohm’s law, the volumetric power is given by

Q=\omega \epsilon" \epsilon_0 |E|^2

This volumetric power will affect a specific region of the water, causing heating.

On the other hand, there is a heat transfer effect due to thermal conductivity, such that the surface heat flux is

\dfrac {dQ_s}{dt}=-k \displaystyle \int_s {\vec \nabla T d \vec S}

Applying the divergence theorem, the variation of heat per unit volume will be

\dfrac {dQ_V}{dt}=-k \nabla^2 T

This flow distributes the temperature inside the volumetric element, lossing energy, and therefore its sign is negative.

WATER HEATING

Under macroscopic conditions, the energy per unit volume that must be applied to water increasing its temperature is given by

E_v=\rho_m c_e \Delta T

with ρM the water density and ce its specific heat, being ΔT the increasing of the temperature. Speaking in terms of power, we will have to

Q=\rho_m c_e \dfrac{dT}{dt}

where it must be calculate the global time variation of the temperature, and being a fluid that can be in movement, it must be applied the material derivative, an operator that includes the time variation and the convection. Applying this operator we may get

\dfrac{dT}{dt}=\dfrac{\partial T}{\partial t}+\vec v \vec \nabla T

and the volumetric power is given by

Q=\rho_m c_e \left(\dfrac{\partial T}{\partial t}+\vec v \vec \nabla T \right)-k\nabla^2 T

which is the expression that governs the water heating when a volumetric density of EM power Q is applied.

On the other hand, fluid movement is governed by the Navier-Stokes equations, through

\rho_M \dfrac {\partial \vec v}{\partial t}=-\vec \nabla P+\mu \nabla^2 \vec v + \rho_M \vec g

Where P is the volumetric pressure, μ the fluid viscosity and g the gravitational field.

HDW SYSTEMS USING MICROWAVES

In the case of a hot domestic water system, there would be two possibilities of heating:

  1. Through a closed circuit system moving a water flow, due to its very low viscosity (10-3 Pa·s).
  2. Using a vessel with rest water and accumulating the heat to transmit it to another areas.

In the first case, the volumetric power necessary to heat a closed circuit system must solve both with the thermal variation and the Navier-Stokes equations, and its efficiency is greater than in the second one, where the expression of the thermal increase is given by

Q+k\nabla^2 T=\rho_m c_e \dfrac{\partial T}{\partial t}

This equations can be solved using the FEM method, as we saw in the post about the simulation.

In any case, although both methods are possible, the first method will always be cheaper than the second, since the second can only be applied to raise the temperature of another fluid in motion and will need more energy due to the losses due to that transfering of heat..

IS IT POSSIBLE TO HEAT OTHER MATERIALS USING MICROWAVES?

Normally, any material that has losses by dielectric constant can be capable of being heated using microwaves, if these losses do not raise the electrical conductivity to values that cancel the electric field (in a perfect conductor, the electric field is zero). If we write the expression obtained in terms of electric field we get

\omega \epsilon" \epsilon_0 |E|^2+k\nabla^2 T=\rho_m c_e \left(\dfrac{\partial T}{\partial t}+\vec v \vec \nabla T \right)

and therefore, we can obtain a relationship between ε” and the increase of temperature at a given electric field |E|.

INFLUENCE ON THE HUMANS

The human body is another dielectric which contains mostly by water. Therefore, the effect of the EM radiation on our body should cause heating. Let’s study what would be the field that would increase our temperature above 50o C in one minute, reducing the expressions to

\omega \epsilon" \epsilon_0 |E|^2=\rho_m c_e \dfrac{\Delta T}{\Delta t}

Taking ε”=4,5 (water at 2,4 GHz), knowing that the average human density is 1100 kg/m3 and its specific heat, 14,23 kJ/kg o C, it is got the next

|E|=\sqrt {\dfrac {1100 \cdot 14230 \cdot \left(\dfrac{50-33}{60} \right)}{2 \pi \cdot 2,4 \cdot 10^9 \cdot 4,5 \cdot 8,85 \cdot 10^{-12}}}=3,1 kV/m

and a WIFI router emits with less than 2 V/m field strength at 1 m. of distance. Therefore, a WIFI router will not cause heating in our body or even if we are close by it..

And a mobile phone? These devices are already powerful … Well, at its emission peak either, since at most it will emit with 12 V/m, and we need 3100 V/m, about 260 times more. So the mobile does not warm our ear either. And keeping in mind the depth of penetration, as much the EM radiation gets to penetrate about 2 cm, attenuating the field strength in half and power to the fourth part, due to the dielectric conductivity of our body. That without keeping in mind that each of our tissues has a different attenuation capacity depending on its composition and structure.

CONCLUSION

This post tries to explain the microwave heating phenomenon based on the ones that produce this heating, and its possible industrial applications, apart from those already known as the popular oven that almost every kitchen already has as part of its home appliance furniture. One of the most immediate applications is in the HDW, although applications have also been achieved in other industrial areas. And although the microwaves produce that heating, the necessary field strengths are very far from the radiation we receive from mobile communications.

REFERENCES

  1. Menéndez, J.A., Moreno, A.H. “Aplicaciones industriales del calentamiento con energía microondas”. Latacunga, Ecuador: Editorial Universidad Técnica de Cotopaxi, 2017, Primera Edición, pp 315. ISBN: 978-9978395-34-9
  2. D. Salvi, Dorin Boldor, J. Ortego, G. M. Aita & C. M. Sabliov “Numerical Modeling of Continuous Flow Microwave Heating: A Critical Comparison of COMSOL and ANSYS”, Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, 2016, 44:4, 187-197, DOI: 10.1080/08327823.2010.11689787

El calentamiento por microondas

El horno microondas se ha vuelto muy popular en los últimos años, y se ha convertido en un electrodoméstico imprescindible en cualquier cocina. Sin embargo, el calentamiento por microondas parece un tema esotérico, casi mágico, para muchos que tienen el horno en casa. En esta entrada vamos a adentrarnos en el mundo del calentamiento por microondas, no sólo para el calentamiento de alimentos, sino también para el calentamiento industrial y de ACS (agua caliente sanitaria).

En 1946, un investigador británico de la Raytheon Corporation, Mr. Percy Spencer, trabajando sobre las aplicaciones del RADAR, descubrió que una chocolatina que tenía en el bolsillo se había derretido. Estaba probando un magnetrón comenzó a hacer experimentos, confinando el campo en una cavidad metálica. Primero con maíz y luego con un huevo de gallina. Este último, le estalló.

Comprobó que un campo electromagnético de una intensidad elevada afectaba a los alimentos debido a la presencia de agua en su interior. El agua es un mal propagador de las ondas de radio, debido a su alta constante dieléctrica y a la conductividad dieléctrica que tiene. Al ser la molécula de agua polar, en presencia de un campo variable con el tiempo el dipolo hidrógeno-oxigeno tiende a orientarse en el sentido del campo, y eso hace agitarse a la molécula de agua, por lo que incrementa su temperatura. La creencia popular es que ésto sucede sólo a 2,4 GHz, pero en realidad ocurre en toda la banda de microondas. La frecuencia de 2,4 GHz es utilizada por los hornos debido a que es una frecuencia dentro de la banda de emisión libre conocida como ISM (abreviatura de Industrial, Scientific and Medical). Sin embargo hay procesos de calentamiento a 915MHz y a otras frecuencias.

En primer lugar hay que indicar que el agua (como casi todos los dieléctricos) tiene, en condiciones normales, una constante dieléctrica ε=ε’−jε”. Cuando se introduce esta constante dieléctrica en las ecuaciones de Maxwell aparece una conductividad definida por

\sigma = \omega \epsilon" \epsilon_0

Esta conductividad no es producida por la movilidad de electrones, sino por la movilidad de las moléculas polares del agua. Por tanto, es mayor a medida que aumentamos la frecuencia.

Por otro lado, la presencia de esta conductividad limita la penetración de las microondas en el agua, ya que van atenuándose con la distancia. Está relacionado con el término de profundidad de penetración expresado por

\delta_p=\dfrac {\lambda \sqrt{\epsilon'}}{2 \pi \epsilon"}

y por tanto a mayor frecuencia menor profundidad de penetración. Si la intensidad del campo eléctrico aplicado es |E|, por la ley de Ohm, la potencia por unidad de volumen que proporciona el campo se puede obtener por

Q=\omega \epsilon" \epsilon_0 |E|^2

Esta potencia afectará a una zona volumétrica concreta del agua, provocando calentamiento.

Por otro lado, hay un efecto de transmisión del calor que está regido por la conductividad térmica, de tal manera que el flujo de calor por unidad de superficie es

\dfrac {dQ_s}{dt}=-k \displaystyle \int_s {\vec \nabla T d \vec S}

Aplicando el teorema de la divergencia, la variación de calor por unidad de volumen será

\dfrac {dQ_V}{dt}=-k \nabla^2 T

Este flujo de calor tiende a distribuir la temperatura dentro del elemento volumétrico y por eso su signo negativo.

EL CALENTAMIENTO DEL AGUA

En condiciones macroscópicas, la cantidad de energía que hay que aplicar, por unidad de volumen, al agua para que incremente su temperatura viene dada por la expresión

E_v=\rho_m c_e \Delta T

con ρM la densidad del agua y ce su calor específico, siendo ΔT el incremento de temperatura. Si hablamos en términos de potencia, tendremos que

Q=\rho_m c_e \dfrac{dT}{dt}

donde hay que calcular la derivada de la temperatura con respecto al tiempo, y al tratarse de un fluido que puede estar en movimiento, hay que aplicar la derivada sustancial que vimos en la entrada sobre la magnetohidrodinámica.

\dfrac{dT}{dt}=\dfrac{\partial T}{\partial t}+\vec v \vec \nabla T

Así, aplicando la derivada sustancial tendremos que

Q=\rho_m c_e \left(\dfrac{\partial T}{\partial t}+\vec v \vec \nabla T \right)-k\nabla^2 T

que es la expresión que rige el mecanismo de calentamiento del agua cuando se aplica una densidad volumétrica de potencia electromagnética Q.

Por otro lado, no debemos olvidar que el movimiento de un fluido está regido por la ecuación de Navier-Stokes, a través de

\rho_M \dfrac {\partial \vec v}{\partial t}=-\vec \nabla P+\mu \nabla^2 \vec v + \rho_M \vec g

donde P es la presión, μ la viscosidad del fluido y g el campo gravitatorio.

SISTEMAS DE ACS POR MICROONDAS

En el caso de un sistema de agua caliente sanitaria, habría dos posibilidades de calentamiento:

  1. Mediante un circuito cerrado que mueva un flujo de agua, que es además un fluido con una viscosidad muy baja (10-3 Pa·s).
  2. Mediante un contenedor que contenga agua que no esté en movimiento y acumule el calor para transmitirlo a otras direcciones.

En el primer caso, la cantidad de potencia volumétrica necesaria para calentar un circuito cerrado debe de resolver tanto la ecuación del incremento térmico como la de Navier-Stokes, y ésta es mayor que en el segundo caso, donde la expresión del incremento térmico queda

Q+k\nabla^2 T=\rho_m c_e \dfrac{\partial T}{\partial t}

Estas ecuaciones se pueden resolver usando el método de diferencias finitas que ya comentamos en la entrada referente a la simulación.

En todo caso, aunque ambos métodos son posibles, el primer método siempre será más económico que el segundo, ya que el segundo sólo se puede aplicar a elevar la temperatura de otro fluido en movimiento y necesitará más energía debido a las pérdidas debidas a esa transferencia de calor.

¿ES POSIBLE CALENTAR OTROS MATERIALES USANDO MICROONDAS?

En principio, cualquier material que tenga pérdidas por constante dieléctrica puede ser susceptible de ser calentado usando microondas, si éstas pérdidas no elevan la conductividad eléctrica a valores que anulen el campo eléctrico (en un conductor perfecto, el campo eléctrico es nulo). Si escribimos la expresión obtenida en términos de campo eléctrico tenemos que

\omega \epsilon" \epsilon_0 |E|^2+k\nabla^2 T=\rho_m c_e \left(\dfrac{\partial T}{\partial t}+\vec v \vec \nabla T \right)

y por tanto, podremos obtener una relación entre ε” y el incremento de temperatura a un campo |E| dado.

INFLUENCIA EN LOS HUMANOS

El cuerpo humano es otro dieléctrico, formado en su mayor parte por agua. Por tanto, el efecto de una radiación electromagnética en nuestro cuerpo debería provocar calentamiento. Vamos a estudiar cuál sería el campo que incrementaría nuestra temperatura por encima de 50o C en un minuto, reduciendo la expresión a los siguientes términos

\omega \epsilon" \epsilon_0 |E|^2=\rho_m c_e \dfrac{\Delta T}{\Delta t}

Si tomamos ε”=4,5 (la del agua a 2,4 GHz), sabiendo que la densidad media humana es 1100 kg/m3 y su calor específico es de 14,23 kJ/kg o C, tendremos que

|E|=\sqrt {\dfrac {1100 \cdot 14230 \cdot \left(\dfrac{50-33}{60} \right)}{2 \pi \cdot 2,4 \cdot 10^9 \cdot 4,5 \cdot 8,85 \cdot 10^{-12}}}=3,1 kV/m

y un router WIFI radia con una intensidad de campo, a 1 m. del mismo, de menos de 2 V/m. Por tanto, un router WIFI no provocará calentamiento en tu cuerpo ni aunque te pongas pegado a él.

¿Y qué decir de un teléfono móvil? Estos aparatos son ya potentes… Pues en su pico de emisión tampoco, ya que como mucho tendrás 12 V/m, y se necesitan 3100 V/m, unas 260 veces más. Así que el móvil tampoco te calienta la oreja. Y teniendo en cuenta la profundidad de penetración, como mucho la radiación electromagnética llega a penetrar unos 2 cm, atenuándose la intensidad de campo a la mitad y la potencia a la cuarta parte, por efecto de la conductividad dieléctrica de nuestro cuerpo. Eso sin tener en cuenta que cada uno de nuestros tejidos tiene una capacidad de atenuación diferente en función de su composición y estructura.

CONCLUSIÓN

En esta entrada se trata de explicar el fenómeno del calentamiento a base de microondas a partir de los fenómenos que producen ese calentamiento, y sus posibles aplicaciones industriales, aparte de las ya conocidas como el popular horno que casi toda cocina ya tiene como parte de su mobiliario electrodoméstico. Una de las aplicaciones más inmediatas está en el ACS, aunque también se han logrado aplicaciones en otros apartados industriales. Y a pesar de que las microondas producen ese calentamiento, las intensidades de campo necesarias están muy alejadas de la radiación que recibimos de las comunicaciones móviles.

REFERENCIAS

  1. Menéndez, J.A., Moreno, A.H. “Aplicaciones industriales del calentamiento con energía microondas”. Latacunga, Ecuador: Editorial Universidad Técnica de Cotopaxi, 2017, Primera Edición, pp 315. ISBN: 978-9978395-34-9
  2. D. Salvi, Dorin Boldor, J. Ortego, G. M. Aita & C. M. Sabliov “Numerical Modeling of Continuous Flow Microwave Heating: A Critical Comparison of COMSOL and ANSYS”, Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, 2016, 44:4, 187-197, DOI: 10.1080/08327823.2010.11689787