Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков

• Название: Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков
• Дата: 01.05.2022
• Размер: 2.15 Mb.
• Имя файла: 1_00676 (1).docx
• Тип: Диссертация; #506934
• страница: 2 из 23

СВЧ электротехнология и её применение

Термин "СВЧ электротехнология" означает не только технологические процессы, связанные с применением энергии СВЧ электромагнитных коле- баний, но и совокупность установок, реализующих эти технологии. До по- следнего времени обычно говорили об СВЧ электротермии, то есть о СВЧ диэлектрическом нагреве и реализующих его установках. С началом работ в области так называемой нетепловой СВЧ модификации полимерных мате- риалов правильнее говорить об СВЧ электротехнологии, имея в виду оба указанных применения.

1. Тепловая СВЧ модификация диэлектриков

1. СВЧдиэлектрическийнагрев

Как известно, нагреть (модифицировать) диэлектрик, тем более рав- номерно, весьма сложно. В отличие от металла он обладает низкой тепло- проводностью, так что локальный нагрев диэлектрика может существенно увеличивать время термообработки всего изделия или привести к невос- полнимому браку. В то же время процессы технологической обработки ди- электриков очень часто включают в себя термообработку и в первую оче- редь нагрев и сушку [1 – 3].

Наиболее успешно равномерная термообработка диэлектриков может

быть достигнута с применением энергии СВЧ электромагнитных колебаний [4 – 9]. Эффект нагрева реального диэлектрика в электромагнитном поле объясняется возникновением в диэлектрике токов проводимости и смеще- ния [10, 11].

Проникая в диэлектрик, электромагнитная волна взаимодействует с его заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических про- цессов приводит к поглощению энергии электромагнитного поля в диэлек-
трике и к его нагреву. Для успешного проектирования установок СВЧ ди- электрического нагрева достаточно учитывать макроскопические свойства диэлектриков [6]. При гармонических колебаниях обычно оперируют со средними за период значениями мощности, так что мощность, выделившую в результате поглощения СВЧ энергии в диэлектрике, можно представить в виде

= ¹ _∫ Р^{  �}dVσ+ ¹ _∫

^″ ΕE^ΕE^{ �}

₊ 1 _∫

^′′ H^ H^{ �}dωVdμ,Vωε

(1.1)

n<sub>2V

2 V</sub>a

_2Va

где звёздочкой отмечены комплексно сопряженные значения комплексных амплитуд векторов напряженности электрического Е и магнитного Н полей. Здесь σ – удельная проводимость среды, ω– круговая частота,

ε^′′ – мнимая часть абсолютной диэлектрической проницаемости среды,
µ– мнимая часть абсолютной магнитной проницаемости среды.
В СВЧ диэлектрическом нагреве мощность, определяемую соотноше- нием(1.1), обычно называют мощностью потерь. Этот термин пришел из технике СВЧ, поскольку там нагрев среды за счет энергии электромагнит- ного поля не желателен. Удельная мощность тепловых потерь равна

ε

=

в
где ^′′ .

^Руд

ωε^′

₌ в

2

_Е 2

₊ ωε_а^′′

2

_Е 2

₊ ωμ_а^′′

2

_Е 2

, (1.2)

По закону Джоуля - Ленца первое слагаемое в (1.2) – объемная плот- ность мощности, выделяющейся в среде при протекании в ней тока прово-

димости с плотностью j E. В идеальном диэлектрике σ= 0, ток проводи-
мости отсутствует и первый член в (1.2) равен нулю.

Два других слагаемых в (1.2) определяют объемную удельную мощ- ность потерь за счет поляризации, т.е. смещения по фазе векторов диэлек-

трической Dи магнитной Bиндукции и векторов Е,Н. Таким образом, со-

а

µ

,
гласно (1.2) при диэлектрическом нагреве диэлектрик нагревается и в отсут- ствии тока проводимости.

Если1µ_а и приσ = 0

^′ 0 , то есть в отсутствии у среды магнитных свойств,

Р= 0,5ωε

′′ ^{ 2}

0,278�1=0⁻¹²

′′ ^{ 2}

(1.3)

или при ε^′

уд 0

ε^′tgδ

εfεEЕ,

fР_удtg

0,E278�1=0⁻¹² ε^′

δ^{ 2} , (1.4)

где

Рв Вт/см ³, если fв Гц; в E^ Вт/см, ε^′ и

tgδ

- относительная диэлек-

уд
трическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь нагревае- мого диэлектрика.

Согласно соотношению(1.4)

Р_удтем больше, чем выше частота f

электромагнитных колебаний, откуда следует, что интенсивность термооб- работки на СВЧ при прочих равных условиях должна быть выше, чем на ВЧ. Однако нужно иметь в виду, что чем выше частота электромагнитных колебаний, тем меньше глубина проникновения электромагнитной волны в

обрабатываемый диэлектрик

δ_е, которая определяется как расстояние, на

е
котором напряженность электромагнитного поля уменьшается в е раз

где λ–длина волны.

δ= ^λ, (1.5)

Следовательно, выбрав достаточно высокую частоту для увеличения Р_уд, мы согласно соотношению (1.5) можем не получить необходимого вы- деления теплоты в глубине диэлектрика. Таким образом, соотношения (1.3- 1.5) нельзя использовать для выбора мощности СВЧ генератора Ри его час-

тоты f. Выбрать СВЧ генератор можно лишь на базе системного подхода к расчету СВЧ электротехнологических установок.

Итак, СВЧ диэлектрический нагрев благодаря проникновению элек- тромагнитной волны в диэлектрик позволяет обеспечить интенсивное на- растание температуры в его объеме при большей равномерности нагрева. Другими достоинствами этого метода термообработки является стериль- ность процесса, безъинерционность регулирования нагрева, меньшее воз- действие на окружающую среду при лучших условиях труда обслуживаю- щего персонала.

Сейчас накоплен большой опыт применения СВЧ диэлектрического нагрева в различных технологических процессах термообработки диэлек- триков[1, 2, 4 −9, 12 −19], таких как разогрев готовых к употреблению пи- щевых продуктов, варка пищевых продуктов, дефростация пищевых про- дуктов, размораживание мерзлых пород, сушка, пастеризация и стерилиза- ция, объемное кипение (вспучивание изделия), разрушение твердых диэлек- триков, отверждение полимерных материалов, вулканизация резины.

Этот перечень характеризует наиболее исследованные технологии с применением СВЧ диэлектрического нагрева. На рис.1.1 указаны отрасли хозяйства, в которых используются СВЧ электротехнологические установ- ки.

2. 
   СВЧ электротермические установкии их классификация СВЧ электротехнологическими установками называют установки, в которых с помощью энергии СВЧ электромагнитных колебаний осуществ- ляется термообработка диэлектриков.
   

Традиционная структурная схема такой установки приведена на рис.1.2. В ней рабочая камера запитывается от одного источника энергии

Области применения СВЧ электротехнологических установок

пищевая промыш- ленность
дефростация, варка, разогрев, производство консервов, продуктов

животноводства,

птицеводства, пастеризация и стерилизация жидких пищевых продуктов (моло- ко, пиво,сок), сушка, хлебопе- чение
с/х произ- водство
сушка зерна и других продук- тов с/х произ- водства, пасте- ризация и стери-

лизация молока,

борьба с сорня- ками, приготов- ление кормов для с/х живот- ных и птиц, предпосевная обработка семян
быт

приготовле- ние пищи, дефростация пищевых продуктов
строитель- ство
сушка строи- тельных мате- риалов, изготов- ление материа- лов на полимер- ной основе, склеивание, про- грев бетона, раз- мораживание грунта, изготов- ление материа- лов на основе технологии вспенивания

химическая промышлен- ность

производство синтетических волокон, пласт- масс, синтетиче- ских смол, вулканизация резины, парфю- мерия, фарма- кологическое производство, стабилизация синтетических нитей и канатов

машино- строение
нагрев диэлек- трических заготовок перед штамповкой и прессованием, отверждение на стадии изготов- ления заготовок, сушка

Рис.1.1. Области применения СВЧ электротермических установок

Источник энергии

^{Технологический блок} Вспомогательное оборудование

СВЧ

генератор

блок питания

Рис. 1.2. Структурная схема СВЧ электротермической установки























^{Источник энергии} Источник энергии

аб
Рис. 1.3. Компоновка СВЧ электротехнологической установки с одним излучателем: а– с рупор- ным излучателем; б – с волноводно-щелевым излучателем
Если СВЧ электротехнологическая установка предназначена для термо- обработки объекта с большой поверхностью, то применяются несколько антенных излучателей (рис.1.4, 1.5), а для увеличения производительности следует использовать несколько рабочих камер, запитываемых от несколь-

ких излучателей (рис. 1.6). В случае применения нескольких рабочих ка- мер обычно ведут речь об СВЧ электротермическом оборудовании.

Каждая из установок с приведенными структурными схемами может работать как в периодическом, так и в методическом режимах, автономно, в технологической линии или в самостоятельной технологической линии. Ус- тановки, работающие в методическом режиме, в своем составе имеют сис- тему загрузки-выгрузки с электроприводом, приводящим в движение транс- портное устройство, перемещающее модифицируемый объект (диэлектрик) вдоль рабочей камеры.

Под источником энергии СВЧ электротермической установок обычно понимают СВЧ генератор и источник питания, снабжающий СВЧ генератор электрической энергией. К СВЧ генератору обычно относят СВЧ прибор, в котором энергия постоянного или переменного электрического тока преоб- разуется в энергию электромагнитного поля, и трансформатор накала, обес- печивающий стартовый нагрев катода СВЧ прибора (в рабочем режиме на- грев катода обычно отключается). В качестве прибора СВЧ чаще всего ис- пользуют магнетрон. Типы и параметры магнетронов приведены в [18].

Весьма перспективными являются клистроны.

СВЧ генераторы в СВЧ электротермических установках могут быть собраны в отдельный блок, связанный с источником питания высоковольт- ным кабелем. Блок питания СВЧ генератора предназначен для электро- снабжения электродов СВЧ прибора рабочими напряжениями и токами.

Поскольку для питания, например, магнетрона требуется высокое выпрямленное напряжение в блоке питания размещается высоковольтный




аб

Рис.1.4. Компоновка СВЧ электротехнологической установки с несколькими излучателями:

а– с рупорными излучателями; б– с волноводно-щелевыми излучателями



















Источник энергии



Рис.1.5. Структурная схема СВЧ электротермической установки одной рабочей камерой и несколькими излучателями



Источник энергии










Технологический блок





рабочие камеры
































Вспомогательное оборудование
Рис.1.6. Структурна схема СВЧ электротермического оборудования с несколькими рабочими камерами

трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр. Для улучшения массогабаритных и стоимостных показателей в современных источниках питания исключают не только фильтрацию выпрямленного напряжения, но и выпрямитель [2, 18]. В этом случае магнетрон работает по сути дела в им- пульсном режиме, и это надо учитывать при применении его в СВЧ элек- тротермических установках, предназначенных для обработки диэлектриков и изделий из них, для которых импульсный режим обработки недопустим.

Технологический блок СВЧ электротермической установки (СВЧ электротермического оборудования) состоит из одной (нескольких) рабочих камер и линий передачи. Основным элементом технологического блока яв- ляется рабочая камера, так как в ней реализуется технологический процесс, и от её параметров зависит соблюдение требований к этому процессу и к качеству готового продукта.

Вспомогательное оборудование состоит из системы загрузки-выгрузки модифицированного объекта, системы удаления паров из рабочей камеры и системы управления.

Системных исследований вспомогательного оборудования пока что

нет. Так, в работах [4, 6, 12, 18] описаны системы загрузки-выгрузки устано- вок, работающих в периодическом и методическом режимах, причем доста- точных расчетов наиболее ответственных элементов – входных и выходных шлюзов установок, работающих в методическом режиме, - до настоящего времени нет.

По-видимому, никогда не ставилась самостоятельная задача проекти- рования системы управления. Всё ограничивалось вопросом регулирования мощности источника энергии [6,14].

Что касается технической классификации СВЧ электротермических установок, то наиболее распространенной является классификация, пред- ложенная на рис.1.7 [8]. Пока что нет общепринятого представления, какие уровни СВЧ мощности имеются в виду, когда мы говорим об СВЧ электро- термической установки малой, средней или большой мощности. Но этот параметр имеет значение для конструктора, поскольку ему приходится конструировать систему защиты от излучений, и для разработчиков СВЧ приборов, генерирующих СВЧ электромагнитные колебания. На наш взгляд, к установкам малой мощности следует отнести СВЧ электротермические


Рис. 1.7. Классификация СВЧ электротермических установок
установки с мощностью источника энергии до 1 кВт, средней мощности –

до 10 кВт и большой мощности – свыше 10 кВт.

Что касается других параметров, использованных в классификации, приведенной на рис. 1.7, то все они определяют принципиальные различия в конструкциях СВЧ электротермических установок.

Необходимо отметить, что в отношении СВЧ электротермических ус- тановок остаются малоисследованными или неисследованными вовсе такие вопросы как термообработка диэлектриков с большими поверхностями, спо- собы и приделы увеличения темпа нагрева и максимально достижимая тем- пература при обеспечении максимальной эффективности технологической установки.