ES2246183A1 - Procedimiento para la optimizacion del rendimiento de hornos microondas multifuentes. - Google Patents
Procedimiento para la optimizacion del rendimiento de hornos microondas multifuentes.Info
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Abstract
Procedimiento para la optimización del rendimiento de hornos microondas multifuentes. El proceso consiste en colocar una muestra (5) dentro del horno microondas multifuente (1) a una distancia de alguno de los magnetrones(2), (3) o (4) que se establece como magnetrón de referencia, y medir la eficiencia a través de sensores de microondas, radiando a baja potencia para no generar calentamiento sobre la muestra. El proceso continúa variando la distancia del material (5) respecto al magnetrón de referencia y estimando la eficiencia para cada una de las distancias, hasta encontrar el punto (13) en el que dicha eficiencia es máxima. Una vez determinada esa posición óptima, un sistema de accionamiento (manual o mecánico) irá colocando sucesivamente las muestras a calentar en dicho punto óptimo (13), para que sean sometidas a radiaciones de microondas con potencia suficiente para producir el calentamiento de las mismas con el menor consumo de energía y en el menor tiempo posible.
Description
Procedimiento para la optimización del
rendimiento de hornos microondas multifuentes.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la optimización del rendimiento de hornos
microondas, del tipo de los que incorporan varias fuentes o
magnetrones, capaces de irradiar campos electromagnéticos de
elevadas frecuencias y alta potencia en una cavidad para generar
calor en una muestra o material alojado en su seno.
El objeto de la invención es determinar un
procedimiento que permita establecer el punto óptimo en el que el
microondas ofrezca el mayor rendimiento, de manera que proporcione
un ahorro energético y consecuentemente económico, disminuyendo los
tiempos de exposición de la muestra, sin añadir elementos externos
costosos o de difícil implementación en el propio horno.
El ámbito de aplicación del método que la
invención propone incluye tanto los hornos microondas multifuente
de uso industrial como los de uso doméstico.
Uno de los principales problemas, aún hoy sin
resolver en el campo del calentamiento y/o secado por microondas, es
decir, aquellos procesos consistentes en irradiar campos
electromagnéticos de elevadas frecuencias y alta potencia en una
cavidad para generar calor en una muestra de un material
cualquiera, es el desconocimiento que se tiene a priori de la
posición óptima en la que se ha de colocar la muestra a calentar. El
calentamiento de cualquier material dentro de un horno microondas
multifuente, ya sea de uso industrial o doméstico (actualmente
orientados al entorno industrial), es en ocasiones costoso
energéticamente. Este coste depende principalmente del tiempo de
exposición a los campos electromagnéticos necesario para calentar o
evaporar el agua de la muestra.
En un horno microondas multifuente convencional
(también denominado horno multimodo) el objeto a calentar (en
adelante muestra) se sitúa, bien en una posición fija arbitaria o
bien sobre un plato giratorio que la hace rotar con el fin de
uniformizar lo más posible su calentamiento.
Se puede definir el comportamiento energético de
un horno microondas multifuente a través de un parámetro denominado
eficiencia o rendimiento (\eta). La eficiencia define la relación
entre la potencia entregada al horno por todas las fuentes y la
potencia realmente transmitida al interior de la muestra en
términos de campos electromagnéticos a frecuencias de microondas
(normalmente a 2,45 GHz). La potencia transmitida al horno
multifuente se suele medir habitualmente como la potencia entregada
por todas las fuentes menos la potencia reflejada hacia los
generadores de microondas (en adelante magnetrones).
Los métodos tradicionales de adaptación en hornos
de microondas son conocidos desde hace mucho tiempo y se basan en
la modificación de la impedancia que presenta el horno a las
fuentes de microondas mediante la colocación de materiales metálicos
en guías de onda o a la salida de éstas.
Algunos de estos métodos están basados en la
colocación de discontinuidades metálicas en la boca de las guías de
onda que alimentan los magnetrones, también denominadas iris. Otros
métodos se basan en la utilización de sintonizadores dobles,
triples o cuádruples que, en ocasiones, se implementan como
tornillos introducidos en las guías de onda con una determinada
configuración. Todos estos métodos tienen el inconveniente de que
son extremadamente sensibles a la variación de las propiedades
dieléctricas, forma y tamaño de la muestra.
El procedimiento objeto de la invención pretende
solucionar los problemas derivados de los métodos tradicionales de
adaptación que incluyen elementos externos a los hornos
multifuentes de microondas, lo cual encarece su fabricación, así
como la gran dependencia del diseño o configuración de estos
métodos frente a las propiedades de la muestra. De acuerdo con la
invención, este objetivo se consigue a través de un procedimiento o
método de posicionamiento de la muestra accionado por un sistema
mecánico, o de otra índole, y controlando medidas de eficiencia en
diferentes posiciones de la muestra dentro del horno microondas
multifuente.
Para ello se introduce en el horno multifuente
una muestra de un material homogéneo o compuesto por varios
materiales dieléctricos o magnéticos, que no contengan partes
metálicas, midiéndose la distancia de dicha muestra al magnetrón de
referencia. La muestra podrá ser de cualquier forma y tamaño. El
horno se ha considerado como un volumen delimitado por paredes de
un material metálico cuya superficie no permite la radiación de
campos electromagnéticos al exterior por encima de los límites
establecidos en la normativa vigente. Este horno recibe la energía
de los campos electromagnéticos de alta frecuencia a través de
varios magnetrones acoplados a la cavidad mediante orificios y/o
estructuras metálicas suplementarias (guías de ondas, iris,
...).
Posteriormente, se irradia la muestra a baja
potencia, obteniéndose una medida de la eficiencia mediante
sensores de microondas de campo electromagnético. Esta misma
operación se repite varias veces con la muestra situada en
posiciones diferentes a la original hasta obtener las medidas
suficientes que permitan calcular con una buena aproximación la
dependencia de la eficiencia con respecto a la distancia de la
muestra al magnetrón de referencia.
Así pues, experimentalmente se determinará un
punto en el que la eficiencia será máxima, a una distancia
determinada respecto al magnetrón de referencia. Punto en el que
posteriormente se situarán cada una de las muestras u objetos a
calentar mediante la irradiación de los magnetrones.
Este procedimiento supone una mejora en la
eficiencia de un 70% frente a otras configuraciones de la muestra
en un horno multifuente.
Se debe tener en cuenta que este procedimiento de
optimización debe realizarse a la frecuencia o frecuencias de
operación para la que se diseñó el horno multifuente, las cuales
vienen marcadas por la legislación vigente en España (2,45
GHz).
La ventaja de este procedimiento de optimización
descrito y objeto de la invención es la de proporcionar un ahorro
energético y económico mediante el aumento de la eficiencia del
proceso de calentamiento y la disminución, en ese mismo porcentaje,
de los tiempos de exposición de la muestra, sin añadir elementos
externos costosos o de difícil implementación en un horno
multifuente de uso industrial o doméstico ya fabricado.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra un diagrama de bloques del
procedimiento para la optimización del rendimiento de hornos
microondas multifuentes, desarrollado de acuerdo con el objeto de
la presente invención.
La figura 2.- Muestra una representación
esquemática en perspectiva de un horno microondas con tres fuentes,
utilizado normalmente en procesos industriales, en la que se han
representado la muestra en diferentes posiciones, correspondientes
a diferentes ensayos realizados, hasta la determinación de la
distancia óptima.
La figura 3.- Muestra una gráfica de un ejemplo
de ensayo del procedimiento de la figura anterior, en el que se ha
representado la eficiencia del horno multifuente en función de la
distancia de la muestra al magnetrón de referencia.
A la vista de las figuras reseñadas, y en
especial de las figuras 1 y 2, puede observarse como el método que
la invención propone, a partir de un ejemplo de ensayo de
realización, en el que participa un horno microondas (1) dotado de
tres fuentes o magnetrones (2), (3) y (4), a fin de conseguir
patrones de calentamiento más uniformes sobre la muestra (5), y
estableciéndose uno de ellos (4) como el magnetrón de referencia,
la primera fase (6), correspondiente al inicio (7) del método,
consiste en introducir la muestra (5) de material homogéneo o
compuesto por varios materiales dieléctricos o magnéticos, que no
contengan partes metálicas en el interior del horno microondas (1),
a una distancia de emplazamiento máxima con respecto al magnetrón
(4) tomado como referencia.
En esa posición, se procede (8) a irradiar la
muestra a baja potencia durante un tiempo preestablecido, de manera
que posteriormente se procede (9) a la medida del coeficiente de
reflexión "S_{ii}" a través de sensores de microondas
adecuados, así como los coeficientes de acoplamiento entre fuentes,
"S_{ij}" (con i \neq j), también denominados parámetros de
dispersión y de acoplamiento respectivamente.
A partir de éstos valores, obtenidos de forma
experimental, se procede al cálculo del rendimiento (10) a través
de la siguiente fórmula:
Siendo N el número de fuentes o magnetrones
empleados.
Una vez calculado el rendimiento para una
posición concreta de la muestra (5), ésta se desplaza (11) sobre el
eje imaginario que atraviesa la posición inicial de la muestra (5) y
el magnetrón de referencia (4), acercándolo una pequeña distancia
preestablecida, bien sea mediante medios mecánicos, o de cualquier
otra índole, tras lo que se procede a la comprobación (12) de que
la nueva distancia existente entre la muestra (5) y el magnetrón de
referencia (4) corresponde con la menor distancia que pueda existir
entre ellos.
En caso negativo, se volverá a irradiar (8) la
muestra (5) a baja potencia, tal y como se puede observar en la
figura 1, volviéndose a medir (9) los parámetros de dispersión y
acoplamiento para poder calcular (10) el nuevo rendimiento en
función de la nueva distancia, volviéndose a desplazar (11) la
muestra hasta la siguiente posición.
En el caso afirmativo en la comprobación (12) de
que la distancia de la muestra (5) al magnetrón de referencia (4)
es la mínima, a partir de los resultados obtenidos se podrá
determinar (13) la distancia óptima en la que el rendimiento del
horno microondas (1) multifuente es máximo.
A partir de dichos resultados se podrá generar
una gráfica, del tipo de la representada en la figura 3, en la que
se puede observar tanto la distancia para la cual el rendimiento es
máximo, así como calcular el incremento porcentual del rendimiento
del horno microondas (1) de una muestra (5) a dicha distancia
óptima, respecto de posiciones de mínima eficiencia.
Una vez determinada dicha distancia óptima, ésta
se envía (14) al sistema de actuación, que puede ser un dispositivo
mecánico acoplable al horno microondas, no representado en las
figuras, accionando el proceso (15) de posicionamiento de la
muestra (5), hasta situarla de forma automática (16) en el punto
óptimo, dicho posicionamiento podrá hacerse opcionalmente, y a
falta de medios, de forma manual.
Por último, los magnetrones (2), (3) y (4)
iniciarán el proceso de calentamiento (17), irradiando cada
muestra, con potencia de microondas suficiente para calentarla,
consiguiéndose reducir el tiempo de exposición y, por tanto, el
gasto energético en un elevado porcentaje, dándose por finalizado
(18) el procedimiento.
A título de ejemplo, asumiendo un coste del kW/h
de energía eléctrica igual a 3,473 céntimos de euros, una mejora de
la eficiencia de un 70% para un horno microondas multifuente que se
utilice durante 16 horas diarias supondría un ahorro anual entorno
a 7.000 euros para una potencia nominal de 50 kW en el horno
multifuente.
Claims (1)
1. Procedimiento para la optimización del
rendimiento de hornos microondas multifuente, bien sean de uso
industrial o doméstico, caracterizado porque consiste en
situar una muestra (5) de un material homogéneo o compuesto de
varios materiales dieléctricos o magnéticos que no tengan partes
metálicas, dentro de un horno microondas multifuente (1) a una
determinada distancia respecto de alguno de los magnetrones (2), (3)
y (4) del horno, establecido como magnetrón de referencia, y medir
la eficiencia del microondas (1), radiando dichas fuentes o
magnetrones a baja potencia para no generar calentamiento sobre la
muestra, empleando para tal fin sensores de microondas adecuados,
mediante los cuales se permitan medir los parámetros de dispersión
y acoplamiento, a través de los cuales y de forma empírica se puede
calcular el rendimiento del aparato, repitiéndose éste proceso
emplazando la muestra (5) a diferentes cotas del magnetrón de
referencia (4) y estimando la eficiencia para cada una de dichas
distancias, hasta encontrar el punto en el que dicha eficiencia es
máxima, una vez determinada esa posición óptima (13), un sistema de
accionamiento mecánico o de cualquier otro tipo, irá colocando
sucesivamente las muestras a calentar en dicho punto óptimo (13),
para que sean sometidas a radiaciones (17) de microondas con
potencia suficiente para producir el calentamiento de las mismas
con el menor consumo de energía y en el menor tiempo posible.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200502214A ES2246183B2 (es) | 2005-09-12 | 2005-09-12 | Procedimiento para la optimizacion del rendimiento de hornos microondas multifuentes. |
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ES200502214A ES2246183B2 (es) | 2005-09-12 | 2005-09-12 | Procedimiento para la optimizacion del rendimiento de hornos microondas multifuentes. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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ES2246183B2 ES2246183B2 (es) | 2006-10-01 |
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ID=35875115
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Country Status (1)
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---|---|
ES (1) | ES2246183B2 (es) |
Cited By (1)
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2005
- 2005-09-12 ES ES200502214A patent/ES2246183B2/es active Active
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EP2325662A4 (en) * | 2008-09-03 | 2017-07-05 | Emite Ingeniería, Slne | Multiple-input, multiple-output analyser |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ES2246183B2 (es) | 2006-10-01 |
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