Реферат: Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности
Несколько иной способ получения равномерности нагрева — это применение двух или более генераторов, работающих на разных, но обычно близких частотах, или введение изменения во времени генерируемой длины волны в некоторых возможных пределах ± Dl .
Чем ближе по шкале длин волн расположены виды колебаний рассматриваемого многомодового резонатора, тем меньшее изменение длины волны генератора оказывается достаточным для улучшения равномерности нагрева и получения равномерного электромагнитного поля в нем даже при слабой загрузке резонатора обрабатываемым диэлектриком.
Для СВЧ нагрева наиболее пригодны такие многомодовые резонаторы, у которых резонансные длины волн различных видов колебаний расположены по шкале длин волн не сгустками, а возможно более равномерно. Это получается, когда размеры резонатора a , b и l рез соизмеримы, но не равны, т.е. когда резонатор представляет собой параллелепипед, близкий к кубу, но не куб (рис. 2 ).
Рис. 2 . Возбуждение рабочей камеры устройств нагрева диэлектриков:
1 — рабочая камера; 2 и 3 — прямоугольные волноводы от СВЧ генераторов с рабочими длинами волн l 1 и l 2 .
Например, для рабочего диапазона длин волн 12,6 ±0,252 см практически равномерный спектр резонансных длин волн или резонансных частот достигается при соотношениях axbxl рез =52x57x58 или 56x57x60 см . Резко неравномерный спектр получается при axbxl рез =58x60x60 или 59x59x60 см и тем более в кубическом резонаторе 59x59x59 см . Интересно, что в первом случае в полосе длин волн 12,6±0,252 см имеется 62 вида колебаний с различными резонансными частотами, во втором - 56 , а соответственно в третьем, четвертом, пятом имеются только 30 , 33 и 15 .
Если резонансные частоты двух или нескольких видов колебаний равны между собой, то такие виды колебаний называются вырожденными. В кубическом резонаторе имеется шестикратное вырождение многих видов колебаний, а в третьем и в четвертом — двух- и иногда трехкратное вырождение. Вот почему в этих резонаторах меньше резонансных частот, чем в первом и во втором, при одной и той же рассматриваемой полосе рабочих длин волн.
Уровень загрузки резонаторных камер . Здесь необходимо различать два случая. Если резонатор полностью заполнен диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости e и большими потерями, то резко падает его нагруженная добротность и согласовать ввод энергии, обеспечивающий полную передачу СВЧ энергии от генератора в объем диэлектрика, относительно просто.
Сложнее обстоит дело, если резонатор загружен диэлектриком слабо или когда в резонаторе имеется значительный объем диэлектрика с малым e (меньше 2 ) или малый объем диэлектрика с высоким значением e . При этом собственные виды колебаний резонатора резко смещаются по частоте, а добротность резонатора для этих видов колебаний снижается незначительно. Поэтому такой резонатор в первом приближении можно рассчитывать без учета потерь.
Возбуждение рабочих камер . Так как в промышленных установках необходимо передавать в рабочую камеру СВЧ мощность высокого уровня, измеряемую киловаттами в непрерывном режиме, то из многих типов возбуждающих устройств оказываются пригодными только такие, которые имеют достаточную электрическую прочность. К подобным возбуждающим устройствам, например, относится открытый конец прямоугольного волновода, расположенный в соответствующем месте стенки рабочей камеры (см. рис. 2 ).
Открытый конец волновода помещается там, где у требуемых видов колебаний в резонаторе располагаются пучности магнитного поля, причем направление силовых линий магнитных полей должно быть параллельным как в возбуждающем волноводе с волной H 10 , так и для рабочего вида колебаний в камере. Наоборот, для тех видов колебаний, возбуждение которых нежелательно, в этом месте должен быть узел магнитного поля или же силовые линии их магнитных полей должны быть перпендикулярны силовым линиям магнитного поля рабочих видов колебаний.
На рис. 2 схематически показаны рабочая камера и два возбуждающих ее волновода. Применяя два ввода, можно увеличить число возбуждаемых в заданном диапазоне видов колебаний и увеличить таким образом равномерность нагрева диэлектрика.
Чтобы избежать передачи СВЧ энергии из одного ввода в другой, можно применять либо разную их поляризацию (вектор E в волноводе 2 перпендикулярен вектору E в волноводе 3 на рис. 2 ), либо поместить второй ввод в области узлов магнитного поля тех видов колебаний, которые возбуждаются первым вводом, либо применить оба этих способа.
СВЧ нагрев движущихся диэлектрических лент и изделий круглого поперечного сечения
Применение СВЧ нагрева движущихся лент позволяет существенно поднять производительность установок нагрева и во многих случаях значительно улучшить качество выпускаемой продукции. Так, полимеризация в СВЧ полях капроновых канатов увеличивает их прочность на разрыв в несколько раз. При СВЧ сушке стеклоленты удается понизить ее конечную влажность до 1% и увеличить скорость процесса до 4 — 5 м/мин . Длина камеры, в которой происходит сушка, составляет 1 м при СВЧ мощности на входе 1,5 кВт . Сушка СВЧ нагревом бумажной ленты на бумагоделательных комбинатах позволяет увеличить скорость протягивания ленты через сушильную камеру с 8 до 100 м/мин .
Первоначально в высокочастотных установках для фиксации и сушки крученых изделий из синтетических волокон обрабатываемые изделия протягивали между пластинами конденсаторов.
Главными недостатками этих установок являлись низкий КПД, сложность экранирующих конструкций и электрические пробои при влажном состоянии изделий. Эти недостатки можно устранить, применив в качестве основы камеры сушки и фиксации ЗС, по продольной оси которой протягивается крученое волокно, а на конце ЗС подключается согласованная нагрузка (рис. 3 ), которая служит для поддержания режима бегущей волны в ЗС.
Рис. 3 . Схема установки для фиксации и сушки крученых изделий из синтетических волокон:
1 — СВЧ генератор; 2 — камера для фиксации сушки в виде замедляющей системы; 3 — согласованная нагрузка; 4 — станция для натяжения и транспортирования синтетического изделия 5; 6 — груз .
Это дополнительно уменьшает опасность пробоя по сравнению со случаем, когда в ЗС был бы режим стоячей волны. Таким образом, обрабатываемое изделие протягивается в области сильного высокочастотного электрического поля замедленной бегущей вдоль ЗС волны и занимает значительную часть поперечного сечения, в пределах которого расположено электромагнитное поле этой волны. Кроме того, благодаря замедлению волны длина камеры получается существенно меньше, чем в случае применения волноводов или коаксиальных линий. Отметим также, что направление движения изделия и бегущей электромагнитной волны могут совпадать (режим прямотока или прямоточная сушилка), а могут быть и противоположными (режим противотока). В режиме прямотока наибольшая подводимая к сушилке СВЧ мощность приходится на влажные части обрабатываемого диэлектрика, а в режиме противотока — на почти сухие. Важно еще отметить, что при проектировании подобных сушилок необходимо учитывать не только поглощение изделием СВЧ энергии, но и конвективный теплообмен с окружающим пространством.
Обеспечение равномерности нагрева по толщине . Для тонких лент (бумаги, стеклоткани и т.п.) проблемы неравномерности нагрева по толщине не возникает, поскольку толщина лент меньше (обычно в 200 — 500 раз ) рабочей длины волны и нагревающее электрическое СВЧ поле практически не меняется по толщине материала. Иное дело для материала круглого поперечного сечения (капроновые канаты, сосисочный фарш и пр.), где диаметр поперечного сечения соизмерим с рабочей длиной волны (скажем, более 0,1 l ), особенно если диэлектрическая проницаемость материала велика и равна нескольким десяткам. Тогда электрическое СВЧ поле, а следовательно, и нагрев по сечению могут быть крайне неравномерны. Ели не добиться равномерности выделения тепла по сечению, то выравнивание температуры будет происходить за счет теплопроводности и тогда, чтобы не перегреть области с сильным полем, придется снижать мощность СВЧ нагрева и удлинять время обработки. В результате преимущества СВЧ нагрева могут быть сведены к нулю.
Рассмотрим конкретный пример. В первых установках для нагрева стержней круглого поперечного сечения применялся круглый волновод с волнами типа E 0i , вдоль продольной оси которого по кварцевой трубке пропускалось нагреваемое вещество (рис. 4 ). При больших значениях e обрабатываемого диэлектрика, равных 20 — 50 и более, распределение тепла по радиусу получается очень неравномерным: вблизи оси - максимум нагрева, а затем с увеличением r все более быстрый спад почти до нуля, причем спад тем более быстрый, чем больше e (рис. 5 ).
Рис. 4 . СВЧ нагреватель для диэлектрического стержня в виде круглого волновода:
1 — волновод; 2 — нагреваемый диэлектрик; 3 — кварцевая трубка .
Обозначим через g 1 = 
радикальную постоянную для области, занимаемой диэлектриком. Здесь k=2 p/l — волновое число, а b =2 p / l в — постоянная распространения волны вдоль продольной оси в объеме обрабатываемого диэлектрика.
Рис. 5 . Распределение мощности источников тепла P(r)/P(0) в зависимости от r/r д для различных значений e 1 в нагревателе, изображенном на рис. 4 (r д =1 см ; R=5 см ; l =12,6 см ).
Теоретический анализ показывает, что мощность источников тепла P(r) в зависимости g 1 r изменяется волнообразно, а перемещать максимумы и минимумы по направлению r можно изменяя g 1 . Поэтому для получения равномерного распределения источников по r необходимо подобрать соответствующие значения g 1 . Как видно из формулы для g 1 , при заданных значениях e 1 и k=2 p / l это равноценно подбору соответствующего значения b =2 p / l в = w /v ф , т.е. фазовой скорости волны v ф вдоль продольной оси волноведущей системы.
Нагрев по сечению будет равномерным, если первый от оси максимум функции P(r)=f( g 1 r) располагается в пределах обрабатываемого диэлектрика при некотором значении 0<r 0 <r д , а минимум этой функции, в отличие от графиков, приведенных на рис. 5 , будет расположен вне диэлектрика т.е. при r 0 >r д . Соответствующие расчеты показывают, что наименьшее отклонение функции P(r)=f( g 1 r) от равномерной имеет место при r 0 /r д =0,5 и не превышает ±7% своего значения на оси.
Для конкретного случая: r д =1 см ; e 1 =35 ; l =12,6 см ; т.е. k=2 p / l =0,5 1/см (e 1 =35 соответствует диэлектрической постоянной обрабатываемого материала, который при термообработке на СВЧ требует равномерного распределения температуры по радиусу). Постоянная распространения волны b получается по расчету равной 1,56 1/см и l в =2 p / b =4 см, т.е. длина волны в волноводе получилась меньше длины волны в свободном пространстве l =12,6 см . Это значит, что для получения равномерного нагрева по радиусу следует применить замедляющую систему осесимметричного типа с замедлением, равным 2 — 3 . Это сравнительно небольшое замедление характерно для ЗС типа цепочки связанных резонаторов или диафрагмированного волновода. Именно такая ЗС и применяется в установке для термообработки, например сосисочного фарша, схематически показанной на рис. 6 .
Рис. 6 . Схема СВЧ нагревателя для термообработки сосисочного фарша: