Сушка в поле СВЧ.

При традиционных способах нагрева и сушки (конвективном, радиационном и контактном) нагрев объекта происходит по поверхности. Если теплопроводность объекта низка, что имеет место у диэлектриков, то термообработка объекта происходит медленно, с локальным перегревом поверхности нагрева, отчего возможно подгорание этой поверхности, возникновение внутренних механических напряжений. Все это конечном счете может привести к выходу объекта из строя.

Высокочастотным, диэлектрическим или сверхвысокочастотным называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот. Электромагнитная волна, проникая в объект, взаимодействует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте. Полное описание этого эффекта может быть получено лишь с помощью квантовой теории. Однако для успешного проектирования СВЧ электротермических установок достаточно ограничиться учетом макроскопических свойств материальной среды, описываемых классической физикой.

В зависимости от расположения в них зарядов молекулы диэлектрической среды могут быть полярными и неполярными. В некоторых молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствии внешнего электромагнитного поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля. При наложении внешнего электромагнитного поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент.

Под действием внешнего поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля. Обычно различают электронную, ионную, дипольную и структурную поляризации диэлектрика. На СВЧ наибольший удельный вес имеют дипольная и структурная поляризации, так что выделение тепла возможно даже в отсутствии тока проводимости.

СВЧ устройства для технологических целей работают на частотах, установленных соглашениями. Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 (2450) МГц. В табл.2 приведены сведения о глубине проникновения электромагнитной волны в некоторые из диэлектриков с потерями.

При выборе частоты (длины волн) генератора надо иметь в виду, что с увеличением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в обрабатываемую среду.

Таблица 4.1

Глубина проникновения электромагнитной волны

в диэлектрике с потерями при 20-25⁰С.

Диэлектрики	Глубина проникновения, см
433 МГц	915 МГц	2375 МГц
Титанат бария	11,3	3,5	0,6
Метиловый спирт	33,0	7,8	1,4
Вода	70,5	23,4	3,5
Стекло

Если вместо традиционных способов нагрева использовать нагрев с помощью энергии СВЧ колебаний, то из-за проникновения волны в глубь объекта происходит преобразование этой энергии в тепло не на поверхности, а в его объеме, и потому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева по сравнению с традиционными способами нагрева. Последнее обстоятельство в ряде случаев приводит к улучшению качества изделия.

При любом назначении СВЧ электротермической установки, она имеет структурную схему, приведенную на рис.2.1

Рис.4.1. Структурная схема СВЧ электротермической установки.

Основным генератором СВЧ энергии является магнетрон. Из приборов других типов наиболее перспективны клистроны и СВЧ триоды.

Поскольку технологический процесс происходит в рабочей камере, этот элемент СВЧ установки представляет наибольший интерес.

Лучевые камеры с неограниченным объемом в общем случае представляют собой открытое пространство, в котором антенна мощного генератора облучает обрабатываемый объект (рис.2.2 а). Необходимость таких камер может возникнуть при термообработке крупногабаритных объектов, однако КПД таких камер низок, а большая зона вокруг антенны оказывается опасной для обслуживающего персонала.

Рис. 4.2. Рабочие камеры СВЧ электротермических установок: а) лучевая камера с неограниченным объемом; б, в) лучевые камеры с ограниченным объемом; г) камера со стоячей волной на резонаторе; д, е) камеры с бегущей волной

Камеры с ограниченным объемом отличаются от камер с неограниченным объемом наличием ограничивающих объем металлических стенок (рис.2.2 б) или представляют собой полупространство (рис.2.2 в).

Камеры со стоячей волной представляют собой объемные резонаторы или короткозамкнутые отрезки линий передачи с помещенными в них обрабатываемыми объектами, работающие в режиме, близком режиму стоячей волны. На рис.2.2 г приведен типичный пример такой камеры: прямоугольный многомодовый резонатор, используемый обычно в СВЧ установках для пищевой промышленности и бытового применения (микроволновые печи). Камеры со стоячей волной исторически получили наибольшее распространение. Они позволяют обрабатывать диэлектрические изделия произвольной формы с различными электрофизическими параметрами.

Основным признаком такой камеры является наличие в ней стоячей волны, что приводит к неравномерности термообработки обрабатываемого материала. Различные способы выравнивания плотности энергии поля по объему камеры, такие как металлические решетки, перемещение в резонаторе предметного стола, изменение граничных условий с помощью вращающегося металлического пропеллера, изменение фазы излучаемых в резонатор колебаний, использование двух и более возбудителей, расположенных в разных местах резонатора, применение нескольких источников энергии, работа резонатора в многомодовом режиме и другие, больше всего иллюстрируют определенные ресурсы конструкции, однако, как показала практика, пока что не решили задачи равномерной термообработки объекта.

Камеры с бегущей волной представляют собой отрезки той или иной линии передачи, работающие в режиме, близком режиму бегущей волны. Они выгодно отличаются от камер со стоячей волной возможностью получить лучшее согласование с генератором, то есть больший КПД и большую равномерность термообработки во все время технологического процесса. Построение камер с бегущей волной в виде короткозамкнутого отрезка неоднородной линии, частично заполненной обрабатываемой средой, позволяет получить неравномерность нагрева не хуже ±4-5⁰С во все время процесса термообработки без каких-либо дополнительных способов выравнивания плотности энергии по объему обрабатываемого материала. У этих камер значительно меньше, чем у камер со стоячей волной, отношение объемов камеры и обрабатываемого объекта.

Недостатком камер с бегущей волной является невозможность обрабатывать в них предметы произвольной формы. Эти камеры обычно проектируются для обработки изделий с определенными электрофизическими свойствами и, как правило, не могут быть использованы для обработки изделий с иными свойствами.

Установки и камеры должны удовлетворять определенным требованиям. Так, они должны обеспечивать заданный технологический режим термообработки, надежную работу генератора, защиту обслуживающего персонала от СВЧ излучения и быть экономически выгодными.

Чаще всего к камере предъявляется требование равномерного нагрева по объему объекта с заданной скоростью нарастания температуры (темпом нагрева).

Для надежной работы генератора коэффициент стоячей волны по напряжению камеры не должен превышать допустимого для данного генератора значения. В этом отношении наибольший интерес представляют камеры с бегущей волной, так как они практически не влияя на работу генератора, могут быть использованы с любым источником СВЧ энергии.

Защита обслуживающего персонала от сверхвысокочастотного излучения осуществляется разумным конструированием системы загрузки-выгрузки изделий из камеры, да и конструкция камер должна позволять устанавливать блокировочные устройства, выключающие генератор в аварийных для камеры режимах.

Особенно важным представляется требование экономической эффективности камеры и всей СВЧ электротермической установки в целом, поскольку новая техника должна экономить затраты общественного труда, обеспечивать улучшение условий работы обслуживающего персонала.

Что касается применение СВЧ электротермических установок, то сейчас наибольшее число таких установок используется, по-видимому, для термообработки пищевых продуктов. Эти продукты обычно содержат много воды и потому хорошо поглощают СВЧ энергию. Сейчас в этой области накоплен самый большой опыт разработки и эксплуатации СВЧ установок.

СВЧ установки малой мощности (до 1-2 кВт) применяются обычно на предприятиях общественного питания и в быту, они перспективны в больницах, на транспорте, в торговых автоматах и т.п. Часто в них осуществляют технологические процессы или научные исследования по СВЧ термообработке и пищевых материалов. В печах малой мощности обычно используются камеры со стоячей волной на прямоугольном резонаторе.

Установки средней (до десятка кВт) и большой (до сотен кВт) мощности используются, как правило, в методических режимах для обработки большого количества продукции. В них встречаются разнообразные конструкции камер: со стоячей волной с одним или несколькими расположенными последовательно вдоль ленты конвейера резонаторами, в том числе открытыми; с ограниченным объемом с одним или несколькими излучателями; с бегущей волной. В этих конструкция могут использоваться как отдельные мощные генераторы, так и набор сравнительно маломощных СВЧ модулей.

Для создания условий интенсивному массообмену (особенно при сушке) в камеру продувают или из нее откачивают воздух.

Кроме пищевой промышленности, общественного питания и быта, СВЧ Электротермические установки применяются, например, в сельском хозяйстве в химическом производстве, в разработке горных пород и мерзлых грунтов, в дорожном строительстве, в текстильной, горнодобывающей, деревообрабатывающей промышленности, при производстве строительных материалов. Дальнейшее увеличение срока службы генераторов, их удешевление – залог расширения области и масштабов применения СВЧ электротермических установок.

Дата добавления: 2015-07-19