Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков
 Скачать 2.15 Mb.
|
Камеры лучевого типа для обработки синтетических нитей и тканей на их основеУстановлено наличие нетеплового модифицирующего воздействие СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы разного технологи- ческого назначения, в том числе на синтетические нити, волокна и ткани на их основе [22, 47 − 49]. Так, например, кратковременное воздействие СВЧ электромагнитных колебаний на волокнистый поликапроамид (ПК) практи- чески не вызывает повышение температуры нити, но приводит к модифика- ции его физико-механических свойств. Камерылучевоготипадлянетепловоймодификации синтетических нитей и волоконРабочие камеры СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия для обработки синтетических нитей (волокон) должны удовлетво- рять следующим требованиям: нить (пучок нитей, волокно) в рабочей камере должна находиться в зоне максимальной напряженности электрического поля Е; неравномерность распределения напряженности электрического по- ля Е по объему пучка не должно превышать заданного значения ± ∆Е ; нити (волокна) и вектор напряженности электрического поля Е должны лежать в одной плоскости и быть параллельными. При проектировании КЛТ для модификации синтетических нитей (волокон) задаются длиной волныλСВЧ генератора (одной из частот, раз- решенных к применению в СВЧ технологических установках), амплитудой напряженности электрического поля Е0 СВЧ электромагнитной волны, при которых наблюдается максимально благоприятное изменение контролируе- мого технологического параметра, допустимым отклонением ± ∆Е0 от Е0 , при котором не превышается допустимое отклонение контролируемого па- раметра от его максимального значения, временем τ0 пребывания модифи- цируемого объекта в СВЧ электромагнитном поле и допустимым отклонени- ем ± ∆τ0 τ0 , ориентацией модифицируемого объекта относительно векто- 0 ра ЕСВЧ электромагнитного поля, производительностью Gустановки. С учетом опыта проектирования рабочих камер СВЧ электротерми- ческих установок для тепловой модификации тонких диэлектрических мате- риалов [6] рабочая камера СВЧ электротехнологической установки нетеп- лового действия на синтетические нити (волокна) может быть собрана на от- резке (отрезках) стандартного прямоугольного волновода, работающего на волне Н10 (рис.4.3) [22].  Рис. 4.3. Варианты компоновки рабочей камеры с бегущей волной для модификации по- лимерных нитей (волокон): а– на отрезке волновода; б – на меандровом волноводе; в – на отрезке волновода с дополнительными СВЧ генераторами Нить (волокно) через волновод протягивается параллельно узким стенкам через щели, прорезанные в серединах широких стенок вдоль оси волновода. Достоинство такой камеры в том, что нить практически не иска- жает волну Н10, т.е. не требуется специальных согласующих элементов, нить находится в максимуме электрического поля электромагнитной волны и перемещается параллельно направлению вектора Е электромагнитного поля. Недостатками таких рабочих камер являются достаточно низкая энер- гетическая эффективность из-за поглощения большой доли СВЧ мощности в балластных нагрузках, большая металлоемкость, и, как следствие, низкая экономическая эффективность при приемлемой для покупателя рыночной цене на модифицируемые синтетические нити (волокна). Другим сущест- венным недостатком этих камер является практически полное отсутствие ре- зервов увеличения производительности установки. Недостатки таких рабочих камер отчасти могут быть устранены сле- дующим образом: − повышением энергетической эффективности установки использова- нием гибридных установок, для чего необходимо вместо балластной на- грузки использовать ту или иную рабочую камеру для термообработки дру- гого диэлектрика; − повышением производительности пропусканием через одни и те же щели волновода второго плоского пучка нитей (волокон). Принципиально большие возможности при обработке синтетических нитей и тканей на их основе дают КЛТ. В этих камерах рупорный, напри- мер, излучатель формирует электромагнитную волну, падающую перпенди- кулярно на поверхность плоского пучка синтетически нитей. Для обеспече- ния ориентации нитей в электромагнитном поле соосно с направлением век- тора напряженности электромагнитного поля Е апертура рупорного излуча- теля должна быть ориентирована в пространстве так, как показано на рис.4.4. Для повышения энергетической эффективности между рупорным излу- чателем и пучком нити (волокна) должен быть расположен согласующий четвертьволновый трансформатор (см.п. 4.1), а за пучком нити (волокна) должен находиться приемный рупор, от которого с помощью линии  Рис. 4.4 Взаимная ориентация рупорных излучателей и пучка полимерных нитей (1 − пу- чок нитей; 2 − согласующий трансформатор) передачи СВЧ энергия может быть подана в электротермическую рабочую камеру (вариант гибридной установки). Плоский пучок может быть создан одной нитью, изменяющей направ- ление своей протяжки, или пучком параллельных нитей (волокон). Пусть в электромагнитном поле, созданном в пространстве рупорным излучателем, имеется область объемом АВС с напряженностью (рис.4.4) E0 − ∆Е0 ≤ Е≤ E0 + ∆Е0 , (4.1) занятая совокупностью модифицируемых нитей. Размер Аопределяется соотношением p2 1, где ap− ширина стенки апертуры рупора; 1 − координата по оси хапертуры рупора, в которой на- пряженность электромагнитного поля равна Е0 ∆Е0 (рис.4.4). Если при х= р 2 и Е= E0 + ∆Е0 , то 1 можно найти из соотношения ( )� πx1 � откуда �ЕsEin 0 0 � � aр � � ap� � 0 −=∆Е+0E, −ΔEЕ� x1 = arcsin� � π� � 0 0 �, 0 � +ΔEЕ� 0 � □ 2 � 0 −ΔEЕ� Ааp�1−= arcsin� 0 � . (4.2) � □ π� □ � 0 + ΔE0Е� Величину Вследует искать из соотношения 0 0 откуда ( ЕE ΔЕE)е αВ= 0 −+Δ 0 , 1 В= α � � ln� � + ΔEЕ� 0 0 �. (4.3) � 0 −ΔE0Е� Если нить (волокно) имеет диаметр d, то с учетом (4.2) и (4.3) число нитей (волокон) между рупорными излучателями можно рассчитать по соотношению 4a� □ −ΔEЕ�� � + ΔEЕ� n4AB =p� 2 arcsin� 0 0 �� ln� 0 0 �. (4.4) 2 2 �1− �� � −ΔEЕ� dπ dπα � π 0 + ΔEЕ� � 0 0 � Если 2∆E< 1, то Е0 □ �  А= 4арπ 0 �� , (4.5) B= 2∆E0 . (4.6) αЕ0 Наконец C=.bИpтогда по соотношению (4.4) с учетом (4.5) и (4.6) 32ap 3 �∆E�2 � � n≈ � 0 � . (4.7) 2 2αd�πE0 � Нити (волокна) перемещаются в электромагнитном поле, созданном рупорным излучателем, в направлении, совпадающим со стороной С. Тогда производительность КЛТ с одним рупорным излучателем составит G,= Сn= nbp τ0 τ 0 (4.8) где τ0 - необходимое время пребывания нити в СВЧ поле, а nопределяется соотношение (4.7). Если G< G0 , где G0 − требуемая производительность установки, то обеспечить G= G0 при заданных параметрах задачи можно увеличением числа рупорных излучателей в направлении движения модифицируемого материала. Количество требующихся для этого рупоров можно найти из со- отношения G= Nbp, то есть 0 τ0 N= G0 0 , bpn Если рассчитанное по соотношению (4.8) G> G0 , то необходимо уменьшить производительность установки, сократив число nтак, чтобы в этом случае меров n= G0τ0 . bp Отметим, на величину Gможно повлиять некоторой коррекцией раз- bpр, а также времени обработки τ . При этом всегда должно вы- полняться условие τ0 ∆τ0 ≤ τ ≤ τ0 + ∆τ0 . (4.9) Что касается требуемой мощности СВЧ генератора, то здесь и далее при условии согласования генератора с линией передачи, а линии передачи с рупорным излучателем и принимая во внимание граничные условия для плоской электромагнитной волны на границе раздела воздух- обрабатываемый объект, то её можно рассчитать по(2.6) приа= p, b= bp, Zн0= 377Ом, Е0 - заданная по условиям нетепловой модификации. Камерылучевоготипадлянетепловоймодификации тканей на основе синтетических нитейК рабочим камерам СВЧ для модификации тканей предъявляются те же требования, что и к камерам для модификации синтетических нитей (п. 4.2.1), причем дополнительно задается ширина ткани. КЛТ СВЧ электротехнологической установки для нетепловой модифи- кации тканей с полимерной нитью представляет собой систему рупорных излучателей, последовательно соединенных отрезками прямоугольных вол- новодов с поворотами (рис. 4.5 а). Ткань транспортируется между рупорными излучателями, причем по- лимерная нить находится в пучности волны типа Н10, а вектор напряженно- сти Е совпадает по направлению с полимерной нитью в ткани. Учитывая направление нити в ткани, в качестве рупорного излучателя рекомендуется секториальный рупор в плоскости Н, показанный на рис. 4.5 б. На рис. 4.6 представлено расположение рупорных излучателей по длине и ширине обрабатываемой ткани. Энергия СВЧ к рупорному излуча- телю с апертурой ем а×bна волне Н10. × bpрподводится по прямоугольному волноводу сечени- bр Балластной нагрузкой может быть короткозамкнутый прямоугольный волновод с наклонно расположенной кварцевой трубкой, по которой про- качивается вода, поглощающая СВЧ энергию, или электротермическая рабо- чая камера (вариант гибридной установки).  Рупорные излучатели, как и в КЛТ для нетепловой модификации нити, должны быть согласованы с линией передачи, подводящей энергию от СВЧ генератора, и с воздушным пространством.аб Рис.4.5. КЛТ СВЧ электротехнологической установки для нетепловой обработки тканей с ПКА нитью: а– система рупорных излучателей с волноводами ( 1 – СВЧ генератор; 2 – излучающие рупоры; 3 – приемные рупоры; 4 – волноводы; 5 – обрабатываемый мате- риал; 6 − балластная нагрузка; 7 − четвертьволновый согласующий трансформатор); б – рупорный излучатель Направление нити уток bр р  .Рис. 4.6. Размещение рупорных излучателей по длине и ширине ткани ( ар, bр – большая и малая стороны апертуры излучателя, l − ширина ткани, А − обрабатываемая поверхность с заданной напряжённостью Е, 1, 2, 3, …N − рупоры) Количество излучателей N, необходимых для обработки ткани по её ширине, равно N= l, bр Время обработки (пребывания в СВЧ электромагнитном поле при за- данной напряженности Е) ткани τ0 является величиной нормативной, т.е. заданной. Оно определяется на стадии экспериментального исследования нетеплового СВЧ воздействия на ПКА нить. Тогда скорость транспортировки ткани при одном ряде излучателей равна υ= А, 1 τ0 где А= р2 1− ширина поверхности ткани, находящейся в электромаг- нитном поле с напряженностью, соответствующей условию (4.1) (рис. 4.6), а при m параллельных рядов υ= А, (4.10) mτ0 где τ0 должно удовлетворять условию (4.9). С помощью соотношения (4.10) можно найти число рядов рупоров, ес- ли известна требующая производительность установки G0 G m= 00 . А υm(м/с) Рассчитаем изменение напряженности электромагнитного поля волны от одной пары рупоров к другой (рис.4.5 а). Учитывая затухание электромагнитной волны в обрабатываемой тка- ни, напряженность на входе i-го рупора равна Еi= Е0е iαd , (4.11) где α – коэффициент затухания в ткани; d– толщина ткани. Если на входе i-го рупора напряженность Едостигает минимально допустимого значения Е0 ∆Е0 , то по (4.11) откуда Е0 − ∆Е0 i=.1 ln αd = Е0е−iαd, E0 Е0 − ∆Е0 На выходе этого i-го рупора должна быть установлена балластная на- грузка. Если при этом i < N, то следующие рупоры должны быть запитаны от нового СВЧ генератора. Для увеличения числа рупоров, запитваемых от одного генератора, можно выбрать мощность СВЧ генератора такой, чтобы 0 0 тогда Еj(E= ∆E+0 )e− jαd. 0 Е0 и (E−=Е∆ ∆+E0 )e− jαd, j=.1 lnE0 ∆E0 При этом j> i, причем αd Е0 −∆Е0 Е 1 � E∆+E� ∆E j i== �1+−ln00 �≈ 0 . � αdα� � 0 � dЕ0 Если, например ∆E0 = 0,01; d= 1 мм; = 5; Е0 tgδ= 0,01; λ=12,24 см, то j−i =12, т.е. увеличение на входе напряженности до максимально допус- тимой существенно увеличивает допустимое количество рупорных пар. Рассчитаем КПД рабочей камеры по использованию СВЧ энергии. Если на входе первого рупора мощность Р, то при Nпар рупоров на вы- ходе последнего рупора мощность равна Рвых= Ре2α dN, (4.12) которая и направляется в балластную нагрузку. В таком случае КПД по использованию СВЧ энергии с учетом (4.12) равен если 2 α dN<<1, то η= РРвых Р 1−=е−2αdN, η= 2α dN. Если, как и прежде d= 1 мм; = 5; tgδ= 0,01; λ=12,24 см; l= 1,5 м; bp 4,5 см, то η= 5,2 %, что хорошо иллюстрирует актуальность по- вышения КПД с помощью построения гибридной установки. |