Caracterização e Testes de Fornos de Microondas

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Caracterização e Testes de
Fornos de Microondas
Laboratório de Microondas Aplicadas LMA – GEPC/ITAL
Antonio Marsaioli Junior
[email protected]
1
Contexto histórico
História do forno de microondas
 Desenvolvimento da tecnologia para radares pelos ingleses
durante a 2° Guerra Mundial: 1940 projeto do mágnetron, dispositivo
que gerava energia de microondas a potências muito elevadas;
1945: Percy Spencer observou que a energia de microondas podia
gerar calor;
1950: Produção de fornos para aquecimento de alimentos
institucionais e restaurantes (L. Marshall-presidente da Raytheon Co);
1960: Início das aplicações em processos industriais;
1967: Produção de fornos de microondas domésticos.
2
Conceitos Fundamentais
 O aquecimento está presente em vários processos industriais
(alimentos, químico, farmacêutico, etc.), para promover alterações
físicas, químicas e principalmente para conservação do produto.
 Aquecimento “convencional”: condução
convecção
radiação
 Internamente ao material, a taxa de fluxo de calor depende das suas
propriedades térmicas:
Calor específico (Cp).....[kJ/kg.oC]
Condutividade térmica (k).[kJ/m.s.oC]
Densidade (ρ)...[kg/m3]
Difusividade térmica (α)
[m2/s]
α = k ρ ⋅ Cp
3
Conceitos Fundamentais
 Aquecimentos “convencionais”:
• Depende das temperaturas: da superfície e do
alimento.
•Longo tempo de processo.
• Detrimento da qualidade do produto.
• A transferência de energia pode ser ineficiente
E como ocorre o aquecimento por microondas ou
dielétrico?
4
Conceitos Fundamentais
 Microondas: radiação eletromagnética, ou seja, uma forma de
energia que se propaga na forma de onda eletromagnética
No vácuo ou espaço livre: E [V/m] x H [A/m] = P [W/m2]
campo elétrico
E
campo
magnético
λ
λ= cf
distância
H
P
C
C = 3x108m/s
Velocidade da luz
• Comprimento de onda (λ): distância de um ponto de uma onda ao ponto
correspondente da seguinte [m];
• Freqüência (f): o número de ondas ou ciclos por segundos [Hz].
5
Conceitos Fundamentais
Faixa de freqüência: Microondas – 300MHz a 300GHz
(1m a 1mm)
• 915 MHz (32,8 cm)
• 2450 MHz (12,24 cm)
• 5800 MHz (5,17 cm)
6
Conceitos Fundamentais
As microondas podem mudar de direção quando atravessando a
interface de um material dielétrico para um outro;
Elas são refletidas por objetos metálicos, absorvidas por alguns materiais
dielétricos e transmitidas sem absorção significativa através de outros
materiais dielétricos.
• Sofre fenômenos
de reflexão,
transmissão e
absorção;
• Velocidade de
propagação em um
meio é reduzida:
V = C / (ε´)1/2
7
Aquecimento por Microondas
Todos os materiais dielétricos têm em comum a
capacidade de armazenar energia elétrica. A interação
entre a energia eletromagnética e os constituintes de um
material dielétrico, através de vários mecanismos em
escala molecular e atômica, converte a energia de
microondas em energia térmica.
Principais mecanismos de aquecimento: rotação dipolar
e condução iônica.
8
Aquecimento por Microondas
1 – Rotação dipolar
 Sob condições normais as moléculas polares estão orientadas de modo
disperso. Na presença de um campo elétrico, as moléculas polares se
alinham com o campo.
 A polaridade do campo é variada na taxa da freqüência das microondas
e as moléculas tentam se alinhar com o campo que varia. Como
conseqüência da rotação das moléculas, calor é gerado. Quando o campo
é removido, as moléculas retornam à sua orientação aleatória.
Resposta à oscilação
do campo depende do
tamanho e estado da
molécula
9
Aquecimento por Microondas
2 – Condução iônica
 Íons em solução se movem em resposta a um campo elétrico
 Aceleração das cargas elétricas dos íons em presença de campo
elétrico
Energia Cinética
 Energia cinética provoca colisões entre os íons e então é convertida
em Calor.
 Mais concentrada é a solução, maior o número de colisões e maior
é o aquecimento.
10
Aquecimento por Microondas
Os mecanismos de deslocamento de cargas ou polarização
são diferentes devido ao tipo de dielétrico, a temperatura do
dielétrico e à freqüência do campo elétrico.
Propriedade dielétrica do material: mede a interação
entre o material e o campo elétrico aplicado, em temperatura e
freqüência específicas.
11
Aquecimento por microondas:
Propriedades Dielétricas
Os parâmetros que caracterizam os materiais dielétricos são:
 Constante Dielétrica Relativa1
armazenar energia elétrica;
εr
'
: avalia a capacidade de um material
ε r " : parâmetro dado pelas propriedades
 Fator de Perda Relativa1
elétricas de dissipação de energia elétrica sob a forma de calor no material;
ε = εr − j ⋅ε
'
*
r
ε r = ε d + εσ
"
1
"
"
r
Dielétrica Complexa
ε r = Permissividade
Relativa1
"
ε d " = contribuição da rotação dipolar;
*
ε σ " = contribuição da condução iônica;
normalizada em relação à permissividade do vácuo:
ε 0 = 8,8542 ×10
−12
F /m
ε relativo
'
ε
=
"
ε
ε 0 ou ε 0 〉
1
12
Aquecimento por microondas:
Propriedades Dielétricas
Instalação para testar de modo
contínuo
as
propriedades
dieletricas de líquidos e semisólidos em função da temperatura:
(A) célula do sensor; (B) cabo
conector; (C) analizador de rede.
Tipo de sensor de extremidade
aberta, fornece os parâmetros da
permissividade dielétrica εr´, εr´,
tan δ = εr´´/ εr´, como função da
frequência, faixa 300kHz – 6GHz.
13
Aquecimento por microondas:
Propriedades Dielétricas
Comportamento de ε” de solução salina com f (Hz) e T(°C)
ε = ε d + εσ
"
εσ
"
"
"
εd"
14
Aquecimento por microondas:
Propriedades Dielétricas
Constituinte
Atividade dielétrica
Água livre
Alta
Água ligada
Baixa
Sais dissociados
Alta
Sais associados
Baixa
Sólidos coloidais
Baixa
Produto
T (°C)
ε”r
(915 MHz)
ε’r
(915 MHz)
ε”r
(2450 MHz)
ε’r
(2450 MHz)
Náilon
25
4,28 x 10-2
3,06
3,62 x 10-2
3,02
Teflon
22
2,94 x 10-4
2,10
2,94 x 10-4
2,10
Vidro
25
2,31 x 10-3
3,85
2,61 x 10-3
3,84
Água destilada
25
1,16
77,50
12,04
76,70
Gelo Puro
-12
--
2,88 x 10-3
3,20
15
Aquecimento por micro-ondas:
Propriedades Dielétricas
T
Umidade
ε”r
ε’r
ε”r
ε’r
(°C)
(% b.u.)
(915 MHz)
(915 MHz)
(2450 MHz)
(2450 MHz)
Carne cozida
20
68
--
--
12,90
41,6
Carne crua
-20
74
--
--
0,51
4,6
Óleo de soja
25
--
0,16
2,61
0,15
2,51
Óleo de milho
25
--
--
--
0,15
2,53
Batata crua
25
81
26,01
70,30
16,98
62,9
Leite em pó
30
3,3
--
--
0,05
2,29
Produto
16
Aquecimento por Microondas
 Aproximação da quantidade de energia convertida em
calor no dielétrico é dada pela equação :
Pv = 2π ⋅ ε 0 ⋅ f ⋅ ε r ⋅ E 2
"
Pv = potência volumétrica (W/m3);
ε 0 = permissividade dielétrica do ar = 8,8542 (F/m)
f
= freqüência (Hz)
ε r = fator de perda relativo
"
E = campo elétrico local (V/m)
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Aquecimento por Microondas
 Aquecimento “convencional”:
• Depende da temperatura da superfície e a do alimento
• Longo tempo de processo
• Detrimento da qualidade do produto
• A transferência de energia pode ser ineficiente
 Microondas:
• Aquecimento volumétrico e seletivo
• Menor tempo de aquecimento
• Pode atingir qualidade superior
• Equipamentos compactos
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Sistema de Aquecimento
 Sistema genérico de micro-ondas: multimodos
Um problema associado ao aquecimento por microondas é a produção de
zonas quentes e frias dentro da cavidade
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Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Constituição do Sistema de Aquecimento do Forno
Diagrama de blocos de um sistema de microondas
20
Estrutura do Forno e Controles
de Operação




Magnetron – elemento chave que gera potência
de microondas e requer 4000 VCC para operar.
Fonte de Potência – eleva a voltagem alternada
da rede por um transformador e retifica a voltagem
por um conjunto de diodos e capacitores.
Potência de Microondas - suprida à carga, dita a
taxa de aquecimento, por ajuste eletrônico através
um circuito de controle.
Controle de Tempo – para ajuste da duração da
aplicação da potência de microondas.
21


Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fornos de Microondas – usam “chips” microprocessadores para tais funções.
Microondas - quando geradas, devem ser dirigidas e
aplicadas à carga ou produto a ser aquecido.
22
Estrutura do Forno e Controles
de Operação

Operação e Controle da Fonte de Potência do Forno
(a) Fonte de Potência do Forno
de Microondas
(b) Voltagem de
saída do
transformador
(c) Potência de
saída de
microondas
23
Estrutura do Forno e Controles
de Operação

Controle de Potência do Forno
Potência de Saída do Mágnetron – Pode ser
variada por meio de inúmeras técnicas:
1.- Fonte de Voltagem Variável;
2.- Controle Resistivo;
3.- Controle Capacitivo;
4.- Controle do Ciclo de Serviço
1.- Fonte de Voltagem
Variável
24
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Controle
de Potência do Forno
1.- Fonte de Voltagem Variável
a)
Variando a voltagem da rede ao transformador, a potência de
saída do magnetron poderá ser variada.
b)
Transformadores variáveis ou auto-transformadores, ou circuitos
eletrônicos, estão disponíveis, mas são caros e não freqüentes.
c)
Sensibilidade da potência de saída vs. voltagem da rede deve
ser observada no desenho de alimentos para microondas.
d)
A potência vs. voltagem da rede é mostrada no slide 24 para 3
fornos de produção. Observe-se a potência do forno (2) de
500W com a voltagem variando 6%. A norma européia iria exigir
variação ≤ 6% na potência de saída, para variação similar na
voltagem da rede. O forno 2 fica fora de especificação (~30%).
25
Estrutura do Forno e Controles
de Operação

Controle de Potência do Forno
2.- Controle Resistivo (Ref. Slide 23):
a) Funciona por uma resistência (R1, R2, etc.) em série com o diodo,
limitando a voltagem (Vc) que o capacitor (C1, C2, etc.) recebe e
controlando a potência de microonda como em (1).
b) Técnica ineficiente, pois o resistor deve dissipar a potência não
utilizada como calor.
c) Aplicando-se um resistor de valor 1 ou 10Ω nesse lugar do circuito e
medindo-se a voltagem através dele, monitora-se a corrente suprida
ao mágnetron. A potência de saída, sendo uma função linear desta
corrente, (representada pela voltagem através do resistor) permite
fornecer uma ótima técnica de monitoramento da potência do forno.
26
Estrutura do Forno e Controles
de Operação

Controle de Potência do Forno
3.- Controle Capacitivo (Ref. Slide 23):
Chaveando-se os capacitores Ci pode-se variar Vc . Isto é
difícil, pois o chaveamento pode ocorrer a voltagens elevadas,
limitando as aplicações desta técnica. A sensibilidade da
potência em relação à capacitância ilustra um caso prático de
fabricação. Para serem mantidas especificações estreitas da
potência do forno, os capacitores devem ser medidos e
selecionados a um custo elevado. A variação da tolerância dos
capacitores é causa comum de variação da potência de uma
família de modelos de fornos.
27
Estrutura do Forno e Controles
de Operação

Controle de Potência do Forno
4.- Controle do Ciclo de Serviço (Slide 29)

Virtualmente todos os fornos de microondas utilizam o controle do
ciclo de serviço para variar a potência do forno. Esta técnica
simplesmente liga e desliga o forno automaticamente à plena
potência. Mais tempo o forno permanece ligado comparado ao
tempo de desligado vai determinar o montante da potência média
(Pm) entregue à carga. A técnica está ilustrada adiante, para uma
potência média de 35%. O forno é ligado por um tempo ton= 3,5s e
então desligado por um tempo toff = 6,5s.
28
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Controle de Potência do Forno
Controle do ciclo de serviço: partidas quente e fria
29
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Controle de Potência do Forno
O ciclo é então repetido continuamente. Os termos usados comumente
para ciclo de serviço e base de tempo são definidos como:
Base de tempo = ton + toff
Ciclo de serviço = ton ÷ Base de tempo
O ciclo de serviço representa assim a fração do tempo que a potência
de microonda é aplicada sobre a carga. Ele também é às vezes
expresso como uma porcentagem pela multiplicação por 100%. A
potência de saída média do mágnetron é:
Pm = ciclo de serviço x potência de saída do magnetron
Para ciclo de 0,35, Pm= 280W para forno de 800W. Note-se que o
pulso de 3,5s é na verdade composto de 3,5 x 60 pulsos/s = 210
pulsos, do tipo mostrado na Figura (c) do slide 23.
30
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Controle de Potência do Forno
Fornos de Partida Quente e de Partida Fria (Slides 23 e 29)
a) O filamento do magnetron deve ser aquecido a cerca de 1750oC para
emitir elétrons. Isto se faz pelo transformador de filamento.
b) Nos fornos antigos, o transformador era uma unidade separada que
aplicava 3 a 4V ao filamento. No slide 23 os terminais x-x do
transformador estão ligados aos terminais x-x do filamento do
mágnetron. Com tal circuito, o filamento é energizado quando o forno é
ligado inicialmente e continua a emitir elétrons durante a operação do
forno. Quando a chave (4) de controle do ciclo de serviço aplica
potência ao mágnetron, a potência de microonda é gerada na prática
instantaneamente, e a saída do mágnetron aparece como ilustrado
Slide 29, parte superior.
c) Um forno com um transformador de filamento é chamado de forno de
partida quente, porque o controle do ciclo de serviço é ligado quando o
filamento está quente.
31
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Controle de Potência do Forno
Fornos de Partida Quente e de Partida Fria (Slides 23 e 29)
d) A vantagem do forno de partida quente é ter a base de tempo
para o controle da potência extremamente curta.
e) Bases de tempo curtas, ≤ 2 a 3s, eliminam o problema de
pulsação ou “respiração” de alimentos que ocorrem com as
bases de tempo longas: Ex., um molho, preparado a 35% de
potência, com base de tempo de 10s, eleva-se em um pote por
3,5s e então decai por 6,5s. Esta respiração pode ser problema
para alimentos sensíveis que não toleram aquecimento por
surtos de alta potência.
f) As bases de tempo para fornos de partida quente são
usualmente de alguns segundos. Alguns fornos chegam a operar
com uma base de tempo tão reduzida quanto 167ms ou 10
ciclos da rede.
32
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Controle de Potência do Forno
Fornos de Partida Quente e de Partida Fria (Slides 23 e 29)
g) Quando cresce a competição entre fabricantes de fornos de
microondas, as reduções de custo tornam-se comuns. Isto ficou
provado quando o custo de um transformador de filamento
(US$0,50), vendido no varejo por entre 3 a 4 US$, foi eliminado
em favor de algumas espiras extras de fio na bobina do
transformador de potência, que custa somente alguns centavos.
h) A opção do enrolamento está também ilustrada no Slide 23, com
as conexões ao filamento mostradas como x-x. Neste circuito, o
filamento é ligado e desligado ao longo do controle do ciclo de
serviço, precisando de 1,8 a 2s para aquecer o suficiente para
emitir elétrons, gerando microondas só após esse intervalo.
i) A saída de potência deste tipo de forno está ilustrada no Slide 29,
parte inferior. Virtualmente todos os fornos de microondas
domésticos do mercado usam o enrolamento de filamento ou
circuito de partida fria.
33
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Controle de Potência do Forno
Chaveamento ou Controle de Potência de Alta Frequência
a) Certos fabricantes de fornos adotaram um tipo de fonte de potência
novo, que permite o controle essencialmente contínuo da potência.
Tais fontes são também chamadas de modo chaveado ou de estado
sólido. A voltagem da rede tem sua freqüência elevada de 60Hz
para 25 a 35 kHz, obtido pelo chaveamento de semi-condutores.
b) A vantagem é que os transformadores necessários para alçar a
voltagem para operar o mágnetron são reduzidos em tamanho e
peso por uma ordem de grandeza. Com chaveamento eletrônico é
simples controlar a largura dos pulsos de 35 kHz. Assim, o controle
do ciclo de serviço pode ser feito em base de tempo de 1/35000 s.
c) O ciclo de serviço com base de tempo tão curta, é indiferenciado do
controle contínuo. O custo elevado dos semi-condutores de
chaveamento e da eletrônica auxiliar pode ser compensado por
custos menores do transformador e dos fretes. Certas fontes
chaveadas podem pesar 6 kg menos do que o normal.
34
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Estrutura do Forno: Porta, “Choque”, Cavidade, Agitador e Alimentação
Para direcionar a aplicação da potência para a carga desejada a
antena do mágnetron é usualmente inserida em um guia de onda,
que canaliza a radiação de microondas para dentro da cavidade,
onde elas aquecem o alimento (Slide 23):
a) Porta e “Choque”
O acesso do alimento ao interior do forno é feito por uma estrutura
de porta cuidadosamente projetada. Integrado à porta, porém não
visível, está um circuito de microonda chamado de “choque”. Este
“choque” previne que as microondas vazem por frestas diminutas
que podem existir entre a porta e a chapa de face da cavidade.
b) A Cavidade
Vemos um dos principais problemas presentes nos fornos de
microondas: produção de zonas quentes e frias dentro do
alimento – parte do problema deve-se ao forno, e é causada pelos
35
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Estrutura do Forno: Porta, “Choque”, Cavidade, Agitador e Alimentação
valores altos e baixos do campo elétrico, que são intrínsecos à
estrutura da cavidade. A geometria e as propriedades dielétricas
do alimento também afetam a uniformidade do aquecimento.
As variações do campo elétrico em uma cavidade ocorrem pela
seguinte razão: as microondas que entram são refletidas das
paredes metálicas do exato modo como a luz é refletida de um
espelho.As amplitudes das microondas ricocheteando por dentro
da cavidade se somam e subtraem entre si, produzindo regiões
de campos elétricos fortes e fracos. As distribuições destes
padrões estacionários de campo elétrico nas 3 dimensões da
cavidade são chamadas de ondas estacionárias.
36
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Estrutura do Forno: Porta, “Choque”, Cavidade, Agitador e Alimentação
A figura mostra 3 modos de reflexão em direções ortogonais, com
1, 2 e 3 máximos, em uma cavidade de forno. A frequência dos
modos em uma cavidade está relacionada às suas dimensões
através da fórmula:
f (GHz)= C [(l/2A)2+(m/2B)2+(n/2C)2]1/2
Onde f é a frequência do modo
l, m, n, o no de máximos em um modo
nas dimensões x, y e z.
A, B, e C as dimensões em x, y, z (m)
C a velocidade da luz = 3 x 108 m/s
37
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Estrutura do Forno: Porta, “Choque”, Cavidade, Agitador e Alimentação
b) Agitador e Alimentação (Slide 22)
Vimos que a variação espacial das amplitudes do campo elétrico,
ou zonas quentes, dos modos da cavidade em um forno é uma
contribuinte para a característica do aquecimento desuniforme
dos alimentos processados por microondas.
Para reduzir o efeito dessas zonas quentes é usado geralmente um
dispositivo chamado agitador. A energia de microondas do
mágnetron é alimentada tipicamente desde o mágnetron para a
cavidade via um guia de onda para uma caixa de alimentação
que contém um agitador. O agitador nada mais é do que uma pá
metálica de ventilador que gira dentro da caixa de alimentação e
é acionada por um pequeno motor ou pelo ar suprido pelo
ventilador de resfriamento do mágnetron.
38
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fatores de Influência da Potência Absorvida por uma Carga no Forno
1) Mágnetron
Sua especificação, juntamente com a fonte de potência,
determinam a potência final disponível a ser entregue para a
carga de alimento. Os magnetos permanentes usados no
mágnetron são a causa de um importante problema que ocorre
com os fornos de microondas domésticos. Intrinsecamente, se
os imãs elevam sua temperatura, o campo magnético que eles
produzem diminui. Com os mágnetrons, um decréscimo do
campo magnético produz uma redução da potência de saída. Se
o sistema de resfriamento do mágnetron for mal desenhado, os
magnetos se aquecem e o forno perde potência após ser ligado
pela primeira vez. A queda de potência pode ser de até 20% e
usualmente ocorre já nos primeiros 5 a 10 minutos de uso.
39
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fatores de Influência da Potência Absorvida por uma Carga no Forno
b) Fonte de Potência
O circuito da fonte pode influenciar sobre a potência de saída em
até ± 15%. Mudanças de valor do capacitor refletem diretamente
sobre a potência do forno. A tolerância de fabricação dos
capacitores assim causam considerável variação de potência de
forno para forno em uma simples linha de modelo. O desenho do
transformador de potência é responsável por mudanças de
potência em função da voltagem de rede (Slide 24)
c) Volume da Carga (Slide 41)
A potência absorvida em uma carga depende do seu volume em
relação ao tamanho da cavidade do forno (Buffler, 1990). Observese que a potência absorvida decresce rapidamente conforme
diminui o tamanho da carga, para um dado forno de microondas.
40
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fatores de Influência da Potência Absorvida por uma Carga no Forno
De todos os parâmetros relacionados ao alimento, o volume tem
até aqui o maior efeito. A razão r, definida como a potência
absorvida por uma carga d’água de 500 ml para uma carga de
1000 ml, é um bom indicador de como uma potência de
microondas cai com o volume. Para fornos típicos, r > 0,8.
Potência Absorvida Vs. Carga
(Testes IEC e 2-L)
41
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fatores de Influência da Potência Absorvida por uma Carga no Forno
c) Geometria da Carga
O acoplamento de microondas, e assim a potência absorvida em
massas idênticas de produtos idênticos, são afetados pela
geometria. Nenhuma relação entre geometria da carga,
orientação da carga, e parâmetros da cavidade do forno foi
ainda estabelecida. Uma proposta foi feita segundo a qual a área
de superfície é o parâmetro-chave para o acoplamento de carga,
mas esta hipótese não foi ainda verificada. É preciso pesquisar
mais sobre o assunto.
42
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fatores de Influência da Potência Absorvida por uma Carga no Forno
d) Temperatura da Carga
As propriedades dielétricas e assim a potência absorvida são
dependentes da temperatura em uma forma complexa, em
função da composição ou análise próxima da carga de alimento.
A taxa de aquecimento de alimentos, cujas propriedades de
absorção decrescem com a temperatura, diminui com o seu
aquecimento. O presunto, cuja absorção aumenta com a
temperatura, sofre a “avalanche térmica” (“thermal runaway”) e
pode torrar se não for convenientemente vigiado. A absorção da
carne de porco assada não muda apreciavelmente com a
temperatura e, sendo assim, aquece a uma mesma taxa como
uma função de temperatura.
43
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fatores de Influência da Potência Absorvida por uma Carga no Forno
e) Calor Específico e Temperatura do Recipiente
As propriedades térmicas do recipiente ou embalagem, bem
como suas temperaturas em relação à da carga, podem
contribuir para uma perda da potência absorvida da carga para o
recipiente ou embalagem. Os erros decorrentes deste efeito são
usualmente pequenos. Para recipientes de vidro contendo 1 L de
água, o erro pode chegar até 6%.
f) Posição da Carga na Cavidade
Zonas quentes e frias no padrão de aquecimento do forno, tal
como antes descrito, podem causar uma variação de ± 20% na
taxa de aquecimento, particularmente em cargas menores. Por
essa razão, alguns pacotes de pipoca para microondas vêm com
um pequeno espaçador de papelão para elevar o pacote se o
desempenho na prateleira do forno não for satisfatório.
44
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Fatores de Influência da Potência Absorvida por uma Carga no Forno
g) Parâmetros do Forno
1.-Tamanho da cavidade: Usualmente, maior o tamanho da
cavidade comparado com o tamanho da carga, menor potência
é absorvida na carga.
2.-Geometria da cavidade: Nenhuma relação conhecida foi
determinada relacionando a potência absorvida pela carga
como uma função da geometria da cavidade.
3.-Material da cavidade: Maior é a condutividade de um metal,
maior a potência disponível para a carga. Para cavidade de
aço inoxidável tem-se 50W mais de potência absorvida de uma
carga de 1 L do que com chapa de aço pintada similar.
4.-Sistema alimentador de microondas: Sem relação conhecida.
O desenho do agitador e da alimentação é crítico para se obter
elevada eficiência de acoplamento para a carga e
características de aquecimento uniforme.
45
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Métodos de Teste de Medida de Potência em Fornos de Microondas
Uma vez que a potência tenha sido absorvida em uma carga, o
movimento molecular decorrente produz uma elevação de
temperatura. A taxa de elevação da temperatura é determinada
pela potência absorvida bem como pelas propriedades físicas e
térmicas da carga. A elevação de temperatura ∆T de qualquer
meio e a potência total P absorvida nele estão relacionados (em
unidades SI) como segue:
P(W ) = Pv ⋅ V = V m 3 ⋅ ρ kg m 3 ⋅ C p (J kg ⋅ K ) ⋅ ∆T (K ) 
t (s )

( ) (
)
[*]
onde: V = volume total da amostra; ρ = densidade da carga; Cp =
calor específico da carga; t = tempo de aplicação da microonda.
46
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Determinação da Potência de Saída de um Forno de Microondas
1) A medição é realizada com água contida em um recipiente de
vidro. A temperatura da água está inicialmente abaixo de
ambiente e é elevada à temperatura próxima da ambiente pelo
aquecimento no forno de microondas. Este procedimento
assegura que a perda de calor e a capacidade de aquecimento
do recipiente tenham um efeito mínimo, pelo qual um fator de
correção é introduzido.
2) Um recipiente cilíndrico de vidro borossilicato é usado para o
ensaio. Ele tem espessura máxima de 3 mm, diâmetro externo
de aproximadamente 190 mm e altura de aproximadamente 90
mm. A massa do recipiente é determinada.
3) No início do ensaio, o forno e o recipiente vazio devem estar na
temperatura ambiente. E’ usada para o ensaio água potável à
temperatura inicial de 10 ± 1°C. A temperatura da água é medida
imediatamente antes de ser colocada no recipiente.
47
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Determinação da Potência de Saída de um Forno de Microondas
4) Uma quantia de 1000 ± 5 g de água é adicionada ao recipiente e
sua massa atual é obtida. O recipiente é então imediatamente
colocado no centro da bandeja do forno, que está na sua
posição mais baixa. O aparelho é alimentado com tensão
nominal e funcionará no ajuste de potência máxima. O tempo
para a temperatura da água atingir 20 ± 2oC é medido. O forno é
desligado e a temperatura final da água é medida dentro de 60s.
Notas:
a) A água é misturada antes da sua temperatura ser medida.
b) Peças de mistura e medição devem ter baixo aquecimento.
c) A potência de saída de microondas é calculada pela fórmula:
P = [ 4,187xMa x ( Tf – Ti ) + 0,55xMc x (Tf – To ) ] / t
48
Estrutura do Forno e Controles
de Operação
Determinação da Potência de Saída de um Forno de Microondas
Onde:
P = potência de saída de microondas, W;
Ma = massa de água, g;
Mc = massa do recipiente, g;
To = temperatura ambiente, oC;
Ti = temperatura inicial da água, oC;
Tf = temperatura final da água, oC;
t = tempo de aquecimento (s), excluindo o tempo para
aquecimento do filamento do mágnetron.
Referência: TESTE “IEC” (Adaptado de “Methods for Measuring the
Performance of Microwave Ovens for Household and Similar
Purposes, 2nd ed. CEI IEC 705 – Geneva, Switzerland: Bureau
Central de la Commission Electrotechnique Internationale.)
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