Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности (стр. 3 из 9)

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.

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).

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

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

Обозначим через g1=

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.

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.