Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков
 Скачать 2.15 Mb.
|
| ||||||
| с ограниченным объемом | |
| | |
| в ту ннел ях | |
Рис.2.1. Классификация рабочих камер установок СВЧ модификации диэлектриковПодобная классификация используется для рабочих камер СВЧ электротермических установок, реализующих тепловую модификацию ди- электриков [6]. Компоновка рабочих камер СВЧ электротермических ус- тановок приведена на рис.2.2.
Рассмотрим возможности таких рабочих камер и в первую очередь для реализации нетепловой модификации.
Наибольшее распространение, как известно, в СВЧ электротермиче- ских установках имеют камеры со стоячей волной (КСВ) (рис. 2.2 а; б). КСВ представляют собой объемные резонаторы (рис. 2.2 а) или коротко- замкнутые линии передачи (рис. 2.2 б), работающие в режиме, близкому к режиму стоячей волны. КСВ на объемных резонаторах позволяют вести те- пловую модификацию диэлектриков произвольной формы с различными диэлектрическими параметрами. Наличие в КСВ стоячей волны приводит к неравномерной модификации, то есть к неравномерной термообработке, что является недостатком этих камер.
В КСВ, применяемых в СВЧ электротехнологических установках, ис- пытаны различные способы выравнивания плотности электромагнитного поля по объему камеры: металлические решетки [31], перемещение внутри резонатора предметного стола [32 − 35], изменение граничных условий с помощью вращения металлического пропеллера [4, 18], изменение фазы из- лучаемых в резонатор колебаний [18, 36], использование двух и более воз- будителей, расположенных в разных местах резонатора [4, 37, 38], примене- ние нескольких источников энергии [39], работа резонатора в многомодо- вом режиме [18, 40 − 44] и другие [45, 46]. Как показала практика эксплуа- тации подобных рабочих камер, все эти методы не позволяют в полной ме- ре решить задачу равномерной модификации диэлектрика по его объему. В этих камерах приходится располагать специальный дополнительный
36
2
абв
2
где
Р Р Ржз
Рис. 2.2 Рабочие камеры СВЧ ЭТУ: а – КСВ на резонаторе; б – КСВ на короткозамкнутой линии; в – КБВ на нерегулярном волно- воде; г – КБВ на нерегулярном круглом волноводе; д – КБВ на регулярном волноводе; е, ж, з – КЛТ (1 – излучатель; 2 – рабочая ка- мера; 3 - модифицируемый диэлектрик; 4 – предметный стол; 5 – дверь; 6 – согласованная балластная нагрузка; 7 – шлюз)
поглотитель, поглощающий излишнюю СВЧ мощность, если объем обраба- тываемого объекта невелик или обладает tgδ.
Без такого дополнительного поглотителя коэффициент стоячей волны по напряжению К стu от КСВ может превысить предельно допустимое для СВЧ генератора значение. Что касается габаритов обрабатываемого объекта в КСВ, то они, естественно, определяются размерами резонатора. Как и в случае КБВ, они тем больше, чем больше длина волны генератора. Отме- тим, что КСВ на прямоугольном резонаторе получили широкое распростра- нение. СВЧ или микроволновые печи для приготовления пищевых продук- тов до кулинарной готовности построены на таких резонаторах.
Если КСВ на резонаторе использовать для нетепловой модификации в СВЧ электротехнологических установках нетеплового действия, то пробле- ма обеспечения в ней равномерной нетепловой модификации диэлектрика сохраняется. Более того, поскольку многие полимеры, модифицируемые при нетепловом действии СВЧ электромагнитных колебаний, обладают малым tgδ, наличие дополнительного поглотителя в резонаторе становится харак- терным для КСВ в таких установках независимо от объема загружаемого в резонаторе объекта (рис.2.3 а). В целом дополнительный поглотитель сни- жает энергетическую эффективность КСВ, а кроме того нельзя в таких ра- бочих камерах проводить нетепловую модификацию диэлектриков с боль- шими поверхностями и объемами.
В то же время КСВ с дополнительным поглотителем уже применяется для исследований нетепловой модификации образцов различных материа- лов. Удается, в частности, проверить, есть ли модификация диэлектрика при кратковременном воздействии СВЧ электромагнитных колебаний, но в КСВ не удается изучить, например, влияние мощности СВЧ (напряженности электрического поля Е) на технологические параметры подвергаемого СВЧ воздействию материала [47, 48].
Не удается обеспечить равномерную тепловую модификацию по дли- не в КСВ на короткозамкнутом отрезке линии передачи (рис.2.2 б), и эта ка- мера неперспективна к применению в СВЧ электротехнологических уста- новках нетеплового действия.
Камеры с бегущей волной (КБВ) – это отрезки линий передачи того или иного сечения, работающие в режиме, близком режиму бегущей волны. Они могут быть собраны на отрезке однородной линии передачи, нагружен- ной балластной нагрузкой (рис. 2.2 д), или в виде короткозамкнутого отрез- ка нерегулярного волновода, частично заполненного модифицируемым ди- электриком (рис. 2.2 в, г).
В этих камерах удается получить максимальную на сегодня равномер- ность модификации без каких-либо дополнительных способов выравнива- ния плотности энергии по объему модифицируемого диэлектрика [6]. Эти камеры отличаются малыми габаритами и высоким КПД по использованию СВЧ энергии.
КБВ обладает существенным недостатком: в них невозможно обраба- тывать предметы произвольной формы, нельзя использовать для модифика- ции диэлектрики с иными диэлектрическими свойствами, чем те, на которые рассчитана КБВ.
В качестве рабочих камер СВЧ электротехнологических установок не- теплового действия безусловно интересны КБВ на регулярном волноводе. Если модифицируемый диэлектрик тонкий, ленточный, его ширина позво- ляет транспортировать его внутри волновода параллельно узкой стенке пря- моугольного волновода в области пучности электрического поля электро- магнитной волны типа Н 10, то КБВ для нетепловой модификации может быть собрана по схеме, показанной на рис.2.3 б. Наличие балластной нагруз- ки позволяет обрабатывать по этой схеме и те материалы, у которых tgδмал.
К балластной2 нагрузке
Р
аб
2 2
Р
вг
2
де
Рис. 2.3. Рабочие камеры СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия: а– КСВ на резонаторе; б– КБВ на регулярном волноводе; в, г– КБВ меандрового типа; д, е– КЛТ с ограниченным объёмом (1 – дополнительный поглотитель; 2 – модифици- руемый диэлектрик)
Если ширина транспортируемого материала, подвергаемого нетепло- вой модификации, больше ширины широкой стенки волновода, то транс-
порт ленточного материала может быть проведен аналогично тому, как по- казано на рис.2.3 б, а для увеличения энергетической эффективности можно построить КБВ для нетепловой модификации на меандровом волноводе (рис. 2.3. в, г) [4, 6, 17].
КБВ на нерегулярных волноводах для нетепловой модификации ди- электриков при малом tgδ неперспективны, но они применяются для, на- пример, пастеризации[4, 6, 13, 18].
Камера лучевого типа (КЛТ) с неограниченным объемом в общем слу- чае представляет собой открытое пространство, в котором излучатель облу- чает модифицируемый объект (рис. 2.2 ж). Необходимость камер с откры- тым пространством может возникнуть при модификации крупногабаритных объектов, однако большая зона вокруг излучателя и за объектом опасна для обслуживающего персонала, да и КПД таких камер низок. По этим причи- нам такие КЛТ не получили распространения в СВЧ электротермических установок, нет у них перспектив применения и в СВЧ электротехнологиче- ских установок нетеплового действия.
Большой практический интерес представляют КЛТ с обрабатываемым объектом, представляющим полупространство (рис. 2.2 е). В СВЧ электро- термических установках они позволяют проводить, например, разморажива- ние мерзлого грунта, ремонт асфальтных покрытий автомобильных дорог [50], поскольку здесь не требуется равномерная термообработка на задан- ную глубину.
Что касается применения КЛТ такого типа для нетепловой модифика- ции, то говорить об этом, по-видимому, не приходится, так как в этом слу- чае речь должна идти о полупространстве, заполненном диэлектриком с tgδ << 1.
Разумеется, наиболее интересны на практике КЛТ с ограничен- ным объемом (рис. 2.2 з). Габариты металлического туннеля таких камер обычно выбираются так, чтобы боковые стенки туннели слабо влияли на ха- рактер электромагнитной волны, излучаемой в камеру излучающей систе- мой.
Основными преимуществами КЛТ являются возможность, наращивая число излучающих систем, обрабатывать объекты с большими поверхно- стями, а при специальном расположении и с большими объемами, менее строгие требования к постоянству диэлектрических свойств объекта в про- цессе его модификации.
КЛТ с ограниченным объемом могут быть использованы в СВЧ ЭТУ НД для нетепловой модификации различных диэлектриков. Варианты ком- поновки таких рабочих камер показаны на рис. 2.3 д, е. Методов расчета та- ких этих камер до последнего времени не существовало.
Анализ рабочих камер разного типа и их сопоставление позволяют сделать следующие выводы:
− теоретически наиболее подробно изучены КБВ;
− наибольшее распространение получили КСВ;
− для модификации диэлектриков с большими поверхностями и объе- мами исключительное значение имеют КЛТ;
− в КЛТ можно модифицировать диэлектрики при менее строгих тре- бованиях к постоянству диэлектрических свойств объекта в процессе его модификации;
− системных, исчерпывающих расчетов КЛТ пока что не существует. Это дает основание считать, что в условиях рыночной экономики наи-
большую производительность СВЧ ЭТУ и СВЧ ЭТУ НД можно получить с использованием КЛТ. Этим объясняется актуальность исследований подоб- ного рода камер.