Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Elektrische Energie (Strom) | Thermische Energie (Wärme) | Thermische Energie (Wärme) |
Kurzbeschreibung
Mikrowellen: hochfrequente elektromagnetische Wellen, welche im gleichen Frequenzband (300 MHz–300 GHz) wie die allgemein bekannten Radarwellen arbeiten. Praktisch weltweit im Westen zugelassen ist f = 2,45 GHz.
Erwärmungsprinzip von Mikrowellen: Mikrowellen wirken sich in einem Phasenwinkel φ < 90° des zugeführten Wechselstroms aus. Es entsteht der Verlustwinkel δ, der sich als weitgehend frequenz-unabhängig erweist. Spezifische Wärmeverlust/Leistung:
![\[ P_w' = E^2 \omega \varepsilon_0 \varepsilon_r \tan\delta \]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-5483813152810a72d8fda8847dd9c919_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Mit: E Elektrische Feldstärke
ω Winkelfrequenz
ε0 Dielektrische Konstant
εr Dielektrische Koeffizienz
Wirkungsmechanismen der Kopplung zwischen Mikrowelle und Materialien:
– Erregung eines mit eineme Dipolmoment behaftetn Moleküls, besonders beim Wasser (allg. bekanntest)
– Wenn freie Ionen vorhanden sind (in Elektrolyten, auch vielen glasartigen und keramischen Stoffen)
– Magnetische Absorption (industriell wenige Bedeutung)
Häufig verwendete Isolierstoffe um zu Förderung und Aufnahme des zu erwärmenden Produktes: Kunststoffe (PTFF, PP, PE), keramische Materialien wie z.B. Al2O3
Bauteile für Mikrowellenanlagen: Mikrowellen werden i.A. mittels Magnetrons (speziell konstruierte Vakuumrohren) erzeugt, über Rechteckhohlleiter aus eineme gut leitenden Metall durchgeleitet, und zu darauf folgenden Applikator geliefert. Kühlanlagen werden als zusätzliche Bauteile benötigt.
(EL-A. 2015; Wikipedia)
Funktionsskizze
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Von elektrischen Energieleistung in Hochfrequenzenergie umgewandelter Anteil bestimmt die Wirkungsgrad η = 50–60 %.
Bauarten
Im Abhängigkeit von Applikatoren kann Mikrowellenanlagen als folgende Bauarten unterscheiden:
- Multimode-Applikator
- Der Multimode-Applikator ist der am weitesten verbreitete, da man hier ziemlich frei ist in der Art, Größe und Geometrie des zu behandelnden Produktes.
- Resonanzapplikator
- Applikatoren deren Geometrie so gewählt ist, dass sich nur eine, einzige Wellenlänge darin ausbreiten kann.
- Als Sonderform eines solchen Applikators ist der Hohlleiterapplikator zu betrachten, d.h. Ein Applikator in Form eines Rechteckthohlleiters, in welchen durch entsprechende Einführschlitze das Produkt in relativ dünner Schicht transportiert werden kann.
- In solchen Applikatoren kann ein sehr homogenes und sehr starkes Feld erzeugt werden.
- Schleusen
Für den Produkteintritt und -austritt sind Schleusen an die Art und Geometrie des Produktes angepasst.- Für kleinvolumige Produkte: Reflexionsschleusen
- Für großvolumigere Produkete: kombinierte Reflexions- und Adsorptionsschleusen
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Multimode | Resonanz | Schleusen |
| Typisches Lastprofil Energieeingang (Endenergie) | konstant | konstant | konstant |
| Typisches Lastprofil Energieausgang (Nutzenergie) | konstant | konstant | konstant |
| Minimale Länge eines Betriebszyklus (Mindestlaufzeit, inverse Schalthäufigkeit) | <20 ms | <20 ms | <20 ms |
| Typische Anfahrzeiten | <1 sek | <1 sek | <1 sek |
| Regelbar? | Stufen | Stufen | Stufen |
| Wandlungsrichtung umkehrbar? | nein | nein | nein |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Multimode | Resonanz | Schleusen |
| Verfügbare Leistungsstufen/-klassen | > 6 | > 6 | > 6 |
| Nennleistung oder vergleichbarer Wert | 0,1–10 kW | 0,1–10 kW | 0,1–10 kW |
| Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Auslastung | Abhängigkeit vernachlässigbar | Abhängigkeit vernachlässigbar | Abhängigkeit vernachlässigbar |
| Nutzbarer Anteil an Verlustleistung vorhanden? | nein | nein | ja |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Multimode | Resonanz | Schleusen |
| Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen) |
End of Life (z. B. Recycling) | End of Life (z. B. Recycling) | End of Life (z. B. Recycling) |
| Gefährdungspotential (niedrige Drücke und Temperaturen, keine giftigen oder explosiven Stoffe) |
geringes Gefährdungspotential | geringes Gefährdungspotential | geringes Gefährdungspotential |
| Systemkomplexität | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | einfach durch Laien zu bedienen aber viele Bauelemente – technisch komplex |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Entwicklungstendenz
Zurzeit ist nur der geringste Teil der möglichen Mikrowellenanwendungsmöglichkeiten bekannt. Für viele Produkte sind eingehende Versuche im Labor- oder Technikumsmaßstab notwendig bzw. sinnvoll.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- kurze Verleimungszeiten und dadruch erreichte ggf. eine hohe Produktionsgeschwindigkeit
- oft besserer Wirkungsgrad als bei konventionellen Erwärmungsarten, da die Wärme im Material selbst entsteht und nicht mittelbar dorthin befördert werden muss
- Aufwärmung und das Warmhalten der Apparatebauteile nicht nötig
- sofortige Ein- und Ausschaltungsvorgänge möglich
- kompaktere Bauweise, kleineres Bauvolumen
Nachteile
- relativ teuer und bedingt durch den Umstand, ziemlich energieaufwendig
- sehr hohe Spannungen im Geräteintern erforderlich (ca. 2 bis 15 kV)
- hohe Anschaffungskosten
Anwendungsbeispiele
- Mikrowellentrocknung
- Mikrowellenerwärmung
- Kalzinieren
- Schmelzen
- Pasteurisieren
- Sterilisieren
Literaturverzeichnis
- Hofmann, W. (2011). Elektrowärme. Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, V66–V70.
- EL-A Verfahrenstechnik GmbH. (2015). Einsatz von Mikrowellenanlagen in der thermischen Verfahrenstechnik.
- Wikipedia: Dielektrische Erwärmung, abgerufen am 4. Juni 2017
- Wikipedia: Mikrowellenherd, abgerufen am 4. Juni 2017