Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности

вычитаться. В результате в некоторых точках могут быть более сильные поля

(от сложения полей нескольких видов колебаний), а в других - более слабые

(вследствие вычитания). Поэтому суммарное поле может быть существенно

неравномерным.

Размеры и параметры объемных резонаторов могут быть рассчитаны на ЭВМ

и оптимизированы. Задача оптимизации состоит в том, чтобы выбрать такие

размеры резонатора, при которых в нем можно было бы возбуждать только

определенные виды колебаний, а интерференция между ними давала бы возможно

более равномерное поле по объему. При этом возбуждающие колебания

устройства должны устанавливать строго определенные соотношения между

амплитудами тех видов колебаний, которые дают суммарное равномерное поле.

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 lрез соизмеримы, но не равны, т.е. когда

резонатор представляет собой параллелепипед, близкий к кубу, но не куб

(рис. 2).

[pic]

Рис. 2. Возбуждение рабочей камеры устройств нагрева диэлектриков:

1 — рабочая камера; 2 и 3 — прямоугольные волноводы от СВЧ генераторов с

рабочими длинами волн l1 и l2.

Например, для рабочего диапазона длин волн 12,6 ±0,252 см практически

равномерный спектр резонансных длин волн или резонансных частот достигается

при соотношениях axbxlрез=52x57x58 или 56x57x60 см. Резко неравномерный

спектр получается при axbxlрез=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 H10, 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.

[pic]

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 0,1l), 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 E0i, 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).

[pic]

Рис. 4. СВЧ нагреватель для диэлектрического стержня в виде круглого

волновода:

1 — волновод; 2 — нагреваемый диэлектрик; 3 — кварцевая трубка.

Обозначим через g1= [pic] радикальную постоянную для области,

занимаемой диэлектриком. Здесь k=2p/l — волновое число, а b=2p/lв —

постоянная распространения волны вдоль продольной оси в объеме

обрабатываемого диэлектрика.

[pic]

Рис. 5. Распределение мощности источников тепла P(r)/P(0) в

зависимости от r/rд для различных значений e1 в нагревателе, изображенном

на рис. 4 (rд=1 см; R=5 см; l=12,6 см).

Теоретический анализ показывает, что мощность источников тепла P(r) в

зависимости g1r изменяется волнообразно, а перемещать максимумы и минимумы

по направлению r можно изменяя g1. Поэтому для получения равномерного

распределения источников по r необходимо подобрать соответствующие значения

g1. Как видно из формулы для g1, при заданных значениях e1 и k=2p/l это

равноценно подбору соответствующего значения b=2p/lв=w/vф, т.е. фазовой

скорости волны vф вдоль продольной оси волноведущей системы.

Нагрев по сечению будет равномерным, если первый от оси максимум

функции P(r)=f(g1r) располагается в пределах обрабатываемого диэлектрика

при некотором значении 0rд. Соответствующие расчеты показывают, что наименьшее отклонение

функции P(r)=f(g1r) от равномерной имеет место при r0/rд=0,5 и не превышает

±7% своего значения на оси.

Для конкретного случая: rд=1 см; e1=35; l=12,6 см; т.е. k=2p/l=0,5

1/см (e1=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 lв=2p/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.

[pic]

Рис. 6. Схема СВЧ нагревателя для термообработки сосисочного фарша:

1 — ЗС типа «диафрагмированный волновод»; 2 — кварцевая трубка, заполненная

фаршем; 3 — коаксиально-волноводный переход; 4 — дрехдецибельный мост для

деления мощности СВЧ генератора пополам; 5 — короткозамыкающие поршни в

прямоугольном волноводе; 6 — согласующие секции диафрагмированного

волновода.

Теперь, когда известны диаметр диэлектрика 2r0 и его диэлектрическая

проницаемость e1, рабочая длина волны l и замедление m, при котором имеет

место равномерное распределение тепловых источников по поперечному сечению,

и тип ЗС, необходимо так подобрать ее геометрические размеры, чтобы, кроме

требуемого значения m (т.е. b), дисперсия вблизи рабочей длины волны была

как можно меньше. Тогда легче добиться согласования ЗС с прямоугольным

волноводом по которому подается СВЧ энергия. Увеличивается также полоса

частот, в которой замедление постоянно и становятся в менее жесткими

допуски на размеры конструктивных элементов ЗС.

Одно и тоже замедление, но при разной крутизне дисперсионной

характеристики при рабочей длине волны, можно получить при разных

сочетаниях размеров b и c (см. рис. 6). Наименьшая дисперсия получается при

b=1,35 см и c=4,3 см.

Отметим интересные конструктивные особенности установки, приведенной

на рис. 6. Во-первых, СВЧ энергия от генератора разветвляется на две равные

части в трехдецибельном волноводном мосте и подается с обоих концов ЗС типа

цепочки связанных резонаторов (диафрагмированного волновода) навстречу друг

другу через коаксиально-волноводные переходы. В этом случае получается

более «мягкий» нагрев обрабатываемого материала, а генератор предохраняется

от отражений в периоды отсутствия сырья. Длина рабочей части ЗС выбрана

такой, чтобы встречные волны при заполнении центральной части ЗС фаршем,

т.е. диэлектриком с большими потерями, затухали немного дальше середины

волновода. Диаметр d выбирают таким, чтобы в пределах этого отрезка

коаксиальной линии не было высших типов волн, а могла распространяться

только волна типа ТЕМ. Согласование прямоугольного волновода с ЗС

осуществляется экспериментально путем подбора положения короткозамыкающих

поршней диаметра внешнего проводника первой секции ЗС и формы утолщения

центрального проводника в коаксиально-волноводном переходе.

Сравнительные измерения показали, что при применении ЗС типа цепочки

связанных резонаторов перепад температуры составляет 6°C (от

64°C на оси до 70°C при r=rд), а в круглом волноводе 37°C (от 68°C на оси

до 31°C у стенки кварцевой трубки).

Плазменные СВЧ горелки (плазмотроны) и их применение

Свойства электронно-ионной плазмы. Плазма — это состояние вещества,

находящегося в газообразном состоянии, в котором большое количество атомов

и молекул ионизированно; атомы стали ионами, т.е. электрически заряженными

частицами, потеряв один или несколько электронов. Кроме ионов в плазме

имеются и свободные электроны. Если их заряд приблизительно равен заряду

ионов, то такая плазма называется квазинейтральной, т.е. в целом ее

электрический заряд равен нулю.

Для понимания физики взаимодействия плазмы с СВЧ колебаниями

необходимо отметить следующие обстоятельства.

Электрические и магнитные поля на СВЧ во времени меняются столь

быстро, что за время нарастания амплитуды электрического поля до максимума

(четверть периода СВЧ колебаний) электроны смещаются на очень небольшие

расстояния x: x @ 2eE/(w[pic]m), где e и m — соответственно заряд и масса

электрона. Важно обратить внимание, что x пропорционально E и обратно

пропорционально квадрату угловой частоты сигнала w. При амплитуде E=Em=100

В/см и l=10 см (w=2p*3*10[pic]рад/с) x=0,01 мм. При Em=10 кВ/см x=1 мм.

Наименьшая масса иона у водорода, но и она в 1840 раз больше m. В

результате при тех же условиях смещение иона водорода будет равно всего

лишь 10[pic] или 10[pic] мм. Отсюда важное следствие: на СВЧ можно

пренебречь движением ионов под действием СВЧ сигнала и рассматривать только

движение электронов.

Основные параметры плазмы: N — концентрация заряженных частиц в

единице объема; e — относительная диэлектрическая проницаемость плазмы на

СВЧ, которая определяется без учета соударений электронов с ионами и

нейтральными молекулами только значениями N и w по формуле

e = 1 - Ne[pic] / (w[pic]me0) = 1 - w[pic]п / w[pic],

где wп = [pic] — плазменная круговая частота, а e0 = 0,886*10[pic]

A*c/(В*м) — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из

формулы видно, что плазма является диэлектриком, у которого e<1, но могут

быть и случаи, когда e становится отрицательной величиной или равняется

нулю (при w=wп) или, переходя к плазменной частоте fп в герцах и подставляя

численные значения e, m и e0, можно получить fп=wп/2p=8980[pic] Гц, т.е.

однозначно определяется концентрацией заряженных частиц в единице объема N.

Из этого выражения видно, что при концентрации заряженных частиц в единице

объема от 10[pic] до 10[pic] 1/см[pic] плазменные частоты будут

соответствовать СВЧ диапазону.

Физически представить плазменную частоту можно следующим образом.

Предположим, что в квазинейтральной плазме мы отклонили один из электронов

от положения равновесия и отпустили. Кулоновские силы, притягивающие

электроны к ионам, будут возвращать его к положению равновесия (ионы из-за

большой массы неподвижны!). Набрав определенную скорость, электрон

проскочит положение равновесия (конечно, с затуханием). Эта частота качаний

электронов около положения равновесия и равна fп.

Активную проводимость плазмы s, а значит, и затухание СВЧ колебаний в

ней определяет параметр v, который частотой соударений — это количество

соударений заряженных частиц с нейтральными в единицу времени. Максимальное

значение s получается при w=v, а v тем больше, чем больше давление газа p.

Важным для практического применения плазмы параметром является ее

температура T, которая характеризуется некоторой средней скоростью движения

свободных электронов к ней. Температура плазмы при СВЧ разряде обычно 6000

— 7000K. С другой стороны, и электропроводимость плазмы s, и ее

диэлектрическая проницаемость e являются функциями температуры T.

Принцип устройства СВЧ плазмотронов заключается в передаче СВЧ

энергии веществу, находящемуся в газообразном состоянии, с целью перевода

его в плазму. Обычно газ подается под определенным давлением (может быть

выше, ниже или равным атмосферному) по диэлектрической, чаще всего

кварцевой или керамической трубке, которая должна быть помещена в область

максимальной напряженности электрического поля СВЧ колебаний. В

стационарном состоянии выход тепла из плазмы полностью компенсируется

поступлением в плазму СВЧ энергии, т.е. плазма является активной нагрузкой

Страницы: 1, 2, 3, 4