Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности (стр. 6 из 9)

Высокотемпературный стабильный плазменный источник возбуждения спектра представляет собой установку, состоящую из двух блоков — блока питания и СВЧ блока, в который входят магнетрон M571 с регулируемой непрерывной мощностью от 0 до 2,5 кВт на длине волны 12,6 см и плазмотрон волноводного типа с согласованной нагрузкой.

Рис. 10. Схематическое изображение СВЧ блока плазменного источника возбуждения спектра типа ПВС-1:

1 — магнетрон; 2 — плазмотрон волноводного типа; 3 — согласованная нагрузка; 4 — кварцевая трубка для подачи плазмообразующих газов и образования плазменного столба; 5 — конденсор; 6 — щель анализатора спектра.

Схема СВЧ блока применительно к спектральному анализу приведена на рис. 10. Газ для образования плазмы подается в трубку из кварцевого стекла через завихряющую форсунку, не показанную на схеме. Через ту же форсунку или вдоль оси кварцевой трубки по отдельной трубке подается анализируемое вещество, которое распыляется в виде аэрозоля. Излучение плазменного столба через конденсатор проектируется на щель анализатора спектра, с помощью которого производится анализ обычными спектральными методами. Расход газа может составлять 8 — 10 л/мин при давлении, близком к атмосферному, плазменный столб длиной 25 — 30 мм имеет диаметр — 5 — 8 мм. Коэффициент передачи СВЧ энергии в разряд 0,55 — 0,6.

Время анализа по сравнению с химическими методами сокращается в 2 — 5 раз. Вследствие высокой температуры, высокой чистоты в зоне нагрева и высокой стабильности плазменного источника появилась возможность анализировать как легко- и средневозбудимые, так и трудновозбудимые элементы, а также определять с высокой точностью средние и большие концентрации элементов. Кроме того, из-за отсутствия электродов открылась возможность анализа кислотных и щелочных растворов.

Практическое использование источника ПВС-1 показало, что температура плазмы СВЧ разряда равна 4000 — 8000K, коэффициент вариации, характеризующий нестабильность самого источника, 1,5% — 2%, а при анализе коэффициент вариации 2% — 3%, чувствительность анализа 10

— 10

мг/мл.

Излучатели СВЧ энергии

Излучатели СВЧ энергии фактически представляют собой передающие антенны того или иного типа, направляющие СВЧ энергию на обрабатываемый участок материала; СВЧ излучатели необходимы там, где надо нагревать часть большого предмета.

Подобные излучающие устройства необходимы и при СВЧ сушке некоторых материалов, и при влагометрии, и при стерилизации ран на поверхности тела, и при воздействии на культуры микроорганизмов и т.д.

Рис. 11. СВЧ облучатель в виде открытого конца волновода прямоугольного поперечного сечения.

Простейшим СВЧ излучателем является открытый конец волновода (рис. 11). Для ограничения высокочастотных токов по фланцу, а следовательно, и СВЧ поля применяют специальные канавки 1, заполненные поглощающим материалом (b — размер узкой стенки волновода).

Открытый конец стандартного прямоугольного волновода является весьма эффективной антенной. Даже без каких-либо подстроечных устройств Kстv в волноводе равен 1,6, т.е. от открытого конца волновода отражается менее 5,5% передаваемой по волноводу мощности.

Меньшую площадь облучения дает излучатель в виде открытого конца H-образного волновода (рис. 12). На этом рисунке пунктиром показана зона максимального нагрева.

Рис. 12. СВЧ облучатель в виде открытого конца H-образного волновода.

Наилучшее согласование со свободным пространством имеет рупорная антенна с корректирующей диэлектрической линзой 1 в ее раскрыве (рис. 13). Она применяется либо для создания плоского фронта СВЧ волн (рис. 13, a), либо фокусировки СВЧ излучения на небольшой площади подобно обычной двояковыпуклой линзы в оптическом диапазоне. Минимальный диаметр пятна в фокусе получаетя примерно равным рабочей длине волны l (рис. 13, b).

Рис. 13. СВЧ облучатель в виде рупорно-линзовой антенны для создания плоского фронта волны (a) и для фокусировки излучения (b).

На рис. 14 показан рупорно-параболический облучатель, применяемый для раскалывания бетонных плит. При l=12,6 см и Pизл=2,5 кВт бетонная плита толщиной 200 мм раскалывается через несколько секунд или минут после начала облучения.

Рис. 14. СВЧ облучатель в виде рупорно-параболической антенны.

При использовании электромагнитных волн коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов применение резонаторных камер, ЗС и волноводов, в которых производится воздействие СВЧ колебаний на вещество, становится нецелесообразным из-за их малых поперечных размеров. Более эффективно осуществить направленное излучение СВЧ энергии и при этом получить равномерное по интенсивности поле излучения на заданной площади и близкое к нулю поле вне этой площади.

Равномерное излучение на прямоугольном участке поля создает пирамидальный рупор, подключенный к прямоугольному волноводу с волной H10. Однако постоянство плоскости поляризации напряженности электрического поля E в этом случае допустимо не для всех применений. Например, наиболее эффективно воздействуют миллиметровые волны на бактерии тогда, когда вектор E параллелен большему размеру бактерии. А так как бактерии ориентированы в облучаемом пространстве хаотически, то для повышения эффективности облучения желательно иметь равномерное по мощности распределение поля на площади, ограниченной кругом, и в пределе этой площади иметь круговую поляризацию вектора E.

Подобного типа облучатель для рабочей длины волны 7,1±0,2 мм изображен на рис.15. Он состоит из перехода со стандартного прямоугольного волновода сечением 2,6x5,2 мм на круглый волновод диаметром 6,2 мм. В этом переходе волна H10, распространяющаяся в прямоугольном волноводе, плавно и без отображений преобразуется в волну H11 круглого волновода с сохранением плоскости поляризации вектора E. Для получения круговой поляризации вектора напряженности электрического поля в круглом волноводе используется секция круглого волновода, в которую помещена четвертьволновая полистироловая пластина (e=2,56) толщиной 1,1 мм и длиной 10 мм с плавным сужением на концах для предотвращения отражений, плоскость которой расположена под углом 45° к направлению вектора E в прямоугольном волноводе. Далее круглый волновод диаметром 6,2 мм переходит в излучающий рупор с углом раскрыва 36° и диаметром раскрыва 150 мм. Применялись также рупоры с раскрывами 50 и 300 мм. Для формирования равномерного поля облучения в раскрыве рупора помещена диэлектрическая линза из фторопласта (e=2,08), имеющая специально рассчитанный профиль по стороне, обращенной к волноводу, и плоскую поверхность на стороне объекта облучения.

Идеальную равномерность поля в пределах радиуса R получить невозможно. Равномерность считается достаточной, если перепады интенсивности поля в пределах круга радиуса R не превышают 3 дБ.

Наилучшая равномерность напряженности поля получилась при раскрыве рупора 150 мм. Размер равномерно облучаемой поверхности при этом можно регулировать изменением расстояния L. При L³400 мм равномерность поля по сечению луча уже практически не меняется. Таким образом, увеличивая L, можно получить увеличение диаметра 2R равномерно облученной поверхности.

Рис. 15. Облучатель с круговой поляризацией вектора напряженности электрического поля:

1 — переход с прямоугольного волновода с сечением 2,6x5,2 мм на круглый волновод диаметром 6,2 мм; 2 — фазосдвигающая диэлектрическая пластина; 3 — рупор с раскрывом 150 мм; 4 — линза из фторопласта; 5 — прижимное кольцо.

Применение рассмотренной квазиоптической системы формирования пучка электромагнитных волн позволило передавать на облучаемую поверхность 80% энергии, излучаемой рупором при допустимом изменении интенсивности напряженности электрического поля на 3 дБ от максимального значения. Без применения описанной системы формирования на равномерно облучаемую поверхность приходится только 55% излученной рупором энергии поля волны H11. Применение линзы эквивалентно увеличению площади облучаемой поверхности примерно в 1,5 раза.