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RF vs Microonde

 

Radio Frequenza (RF) VS. Microonde (MW)


 

Sia le radiofrequenze (RF) che le microonde (MW) sono tecniche di riscaldamento di tipo “endogeno” o “volumetrico”. Con tali termini si intende che - a differenza dei sistemi convenzionali di trattamento termico basati sul trasferimento di calore all’interno dei corpi attraverso la loro superficie esterna mediante conduzione, convezione o irraggiamento - il riscaldamento avviene grazie ad un meccanismo di trasformazione dell'energia di un campo elettromagnetico di frequenza opportuna in energia termica direttamente all’interno dei corpi stessi. 

Sebbene i sistemi di trattamento termico mediante radiofrequenze e microonde presentino delle analogie e siano egualmente efficaci in taluni campi di applicazione, nel seguito di queste note verranno evidenziate alcune sostanziali differenze tra le due tecnologie e gli impianti che le sfruttano, che portano a concludere come le radiofrequenze costituiscano l’unica o comunque la migliore alternativa in innumerevoli settori applicativi, soprattutto a livello industriale. 

 

Maggiore profondità di penetrazione

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A causa della loro lunghezza d'onda corta, l'uso industriale delle microonde è limitato alle applicazioni su prodotti di dimensioni proporzionalmente ridotte. Le radiofrequenze, invece, grazie alla loro maggiore lunghezza d'onda e alla conseguente capacità di penetrare in profondità anche materiali densi e di grandi dimensioni, possono essere ampiamente utilizzate su prodotti di qualsiasi dimensione.

 

Migliore uniformità di riscaldamento

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Il trasferimento di energia dalla sorgente a microonde al prodotto attraverso guide d'onda rimane un fenomeno “statistico” non controllabile con precisione, che molto spesso comporta disuniformità di trattamento e delle temperature che penalizzano il risultato.  Nel caso delle radiofrequenze, invece, l’energia viene “resa disponibile” sul prodotto mediante una coppia di elettrodi, di forma e dimensioni studiate appositamente per l’applicazione, in modo tale che il prodotto possa assorbirne l’energia in modo diffuso ed uniforme.
 

 

Maggiore selettività

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Alle frequenze più elevate, tipiche delle microonde, le differenze tra i fattori di perdita dei vari prodotti risultano di norma essere molto più ridotte che non alla frequenze più basse tipiche delle onde RF. Ne consegue quindi che le radiofrequenze sono molto più selettive nel riscaldamento di prodotti di diversa natura chimico-fisicamorfologica e ciò facilita il controllo del trattamento termico su materiali diversi. In particolare, questa caratteristica risulta di estrema utilità nelle applicazioni di essiccazione: poiché il fattore di perdita dielettrico dell’acqua (soprattutto se contiene specie ioniche anche in misura minima) è molto più elevato di quello di tutti i possibili substrati solidi in cui si può venire a trovare,  le radiofrequenze possono essere assorbite in modo molto selettivo consentendo quindi processi di essiccazione estremamente rapidi, efficienti.

 

Generatori di potenza superiore

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I generatori di radiofrequenze per uso industriale sono in grado di erogare potenze unitarie fino ad un centinaio di kW. Di norma uno o due generatori sono sufficienti a soddisfare le esigenze di trattamento termico o di capacità evaporativa nelle linee di produzione nei più svariati settori applicativi.

Viceversa, i magnetrons utilizzati quali generatori di microonde sono caratterizzati da valori di potenza erogata dell’ordine di qualche kW (in genere da 1 a 3 kW a 2450 MHz). È tecnicamente complicato e costoso installare e controllare decine, anzi centinaia, di magnetron per far fronte ai valori di potenza richiesti dai grandi impianti industriali. 

 

Regolazione della potenza più semplice e maggiore flessibilità operativa

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La radiofrequenza è una forma di energia che viene resa disponibile sul prodotto, piuttosto che “forzata” sullo stesso, e la sua erogazione può essere “modulata” secondo le esigenze, agendo semplicemente sui parametri operativi degli elettrodi (tensione e distanza), indipendentemente dalla quantità di prodotto sottoposta al processo. Anzi, in talune applicazioni come l’essiccazione, il sistema prodotto-generatore risulta essere autoregolante, nel senso che dove è presente più umidità risulta proporzionalmente più elevato l’assorbimento di energia e viceversa. Si ha perciò un livellamento delle disuniformità e una riduzione dei rischi di sovraessiccazione che avrebbe come conseguenza il danneggiamento del substrato. 

Al contrario, un magnetron può essere considerato alla stregua di un “emettitore” di energia elettromagnetica in quantità predeterminata dalla sua struttura (potenza nominale o modulata dal sistema di alimentazione). E’ evidente che tale energia, una volta generata, non può accumularsi nel vuoto (nell’aria) e deve perciò essere consumata / dissipata dal prodotto. Si comprende quindi come risulti difficile gestire accuratamente un processo termico o di essiccazione con le microonde, dal momento che dovrà essere sempre nota la quantità di prodotto via via sottoposto al trattamento.

 

Maggiore efficienza energetica

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Sebbene i rendimenti energetici teorici dei generatori RF e dei magnetrons abbiano valori comparabili (intorno al 65-70%), la modalità di trasferimento ed i fenomeni di riflessione dell’energia nelle apparecchiature a microonde fanno sì che il rendimento energetico complessivo degli impianti scenda a valori dell’ordine del 50-55% ca. contro il 60-65% ca. degli impianti RF.  
 
Ne consegue un vantaggio energetico complessivo degli impianti RF nell’ordine del 10-15% rispetto agli equivalenti (come potenzialità) a microonde. 

 

Minori costi di investimento e di manutenzione

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Anche i forni a microonde per uso domestico hanno un prezzo competitivo grazie alla produzione su larga scala industriale di magnetron e dei loro comandi elettronici. Le cose cambiano drasticamente nel caso degli impianti industriali di grandi dimensioni, ove le radiofrequenze, grazie ai generatori di potenza unitaria elevata ed alla semplicità dell’elettronica di gestione, diventano decisamente più competitive con costi di impianto nettamente inferiori. Anche a livello di costi di manutenzione, gli impianti a radiofrequenze risultano significativamente più vantaggiosi in considerazione del minor numero di componenti “critici” che necessitano di sostituzione periodica (uno o due triodi ogni ca. 15,000 h di funzionamento, contro molte decine di magnetron ogni ca. 5,000 h di funzionamento). 

 

Maggiore sicurezza d'uso

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Le microonde, avendo lunghezza d’onda molto ridotta, risultano particolarmente “aggressive” e difficili da schermare. Per costruire e far funzionare in sicurezza un'apparecchiatura industriale a microonde è necessario adottare diversi accorgimenti e soluzioni ingegneristiche. Sono d'obbligo anche rilevatori di perdite interbloccati con i generatori.

Al contrario, le radiofrequenze hanno lunghezze d’onda molto più elevate che non solo le rendono significativamente meno aggressive, ma ne rendono assai semplice la schermatura al di sotto dei valori di emissione accettati a livello internazionale. In particolare, è possibile utilizzare in assoluta sicurezza tunnel di trattamento aperti, anche dotati di generatori di 100 kW di potenza, corredandoli semplicemente di convogliatori (bocche) di ingresso ed uscita del prodotto lunghi ca. 1 m o poco più ed assicurando una sufficiente superficie di riflessione perimetrale.