Государственный Комитет Российской Федерации
По Высшему Образованию
Государственная Академия Управления имени Серго Орджоникидзе
Курсовая работа
по курсу
Естественно-научные основы современных технологий
Кафедра техники и технологии в машиностроении
на тему
Энергетика СВЧ в народном хозяйстве:
Применение СВЧ - нагрева в пищевой промышленности.
Выполнил(а):
студент(ка) курса группы
факультета ИМ МАШ
.
Проверил: .
Москва, 1995 год.
Задание
на курсовой проект по дисциплине
«Естественно-научные основы современных технологий»
1. Студенту курса группы .
.
2. Тема проекта .
.
3. В проекте привести .
.
.
.
4. В проекте дать расчет .
.
.
.
5. Плакатный материал два листа формата A1(594x841 мм) .
.
6. Срок сдачи студентом законченного проекта .
.
Руководитель курсового проекта .
.
Введение
Предлагаемая курсовая работа ставит задачу дать физические представления о работе электронных приборов СВЧ и их применении в различных отраслях народного хозяйства, в частности, в пищевой промышленности, а также дать расчетные данные по волновым приборам, нагреву и сушки материалов с помощью СВЧ энергии.
Если в 40-х — 50-х годах электроника СВЧ в основном служила потребностям радиолокации и связи, то в последние годы она все шире применяется во многих отраслях хозяйства, ускоряя научно-технический прогресс, повышая эффективность и качество производства.
Появлению новых областей применения мощной СВЧ электроники способствует ряд специфических свойств электромагнитных колебаний этого диапазона частот, которые позволяют создать неосуществимые ранее технологические процессы или значительно их улучшить. К ним относятся, например: создание сверхчистой плазмы с широким интервалом температур; возможность серийного изготовления простых по конструкции и удобных в эксплуатации мощных генераторов СВЧ энергии, с помощью которых могут осуществляться полимеризация и упрочнение различных изделий и материалов, в частности шин и лакокрасочных покрытий, упрочнение металлов, стабилизация параметров полупроводников и т.д.; все более широкое применение получают нагрев и сушка с помощью СВЧ различных материалов, в частности приготовление пищи, пастеризация молока и т.п.
Познакомить с возможностями СВЧ электроники в области народного хозяйства — одна из главных задач этой работы. При работе были использованы материалы книги Ю. Н. Пчельникова и В. Т. Свиридова Электроника сверхвысоких частот, научно-технических статей, опубликованных в журналах «Электронная техника», «Радио» и др.
Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний
Для радиоэлектронных устройств, предназначенных для использования в промышленности и сельском хозяйстве (т.е. народном хозяйстве), выделены диапазоны частот, приведенные в таблице 1.
Таблица 1.
Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний
| f, МГц | Страны | Основные применения | Диапазоны частот |
| 0,06 - 0,08 | Россия | Индукционный нагрев | НЧ |
| 13,56±0,00678 | Все страны | ВЧ | |
| 27,16±0,16 | Все страны | ВЧ | |
| 40,68±0,02 | Все страны | ОВЧ | |
| 433,92±0,87 | Австрия, ФРГ, Португалия | УВЧ | |
| 866 | Англия | УВЧ | |
| 915±25 | Все страны, кроме Англии, Испании | УВЧ | |
| 2375±50 | Все социалистические страны | СВЧ нагрев | УВЧ |
| 2450±50 | Все страны, кроме социалистических стан | УВЧ | |
| 5800±75 | Все страны | СВЧ | |
| 22125±125 | Все страны | СВЧ |
Особенности нагрева диэлектриков в диапазонах УВЧ и СВЧ
В подавляющем большинстве случаев нагрев каких — либо физических тел производится путем передачи тепла снаружи во внутрь за счет теплопроводности.
На СВЧ при рациональном подборе частоты колебаний и параметров камер, где происходит преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение тепла по объему тела. Эффективность преобразования энергии электрического поля в тепло возрастает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату напряженности электрического поля. При этом следует отметить простоту подачи СВЧ энергии практически к любому участку нагреваемого тела.
Важное преимущество СВЧ нагрева — тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.
Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.
Важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.
Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от длины волны, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь d как функции длины волны l . При этом в многокомпонентной смеси диэлектриков будут нагреваться только те части, где высокий tg d.
Равномерный нагрев. Обычно передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад) от поверхности в глубину материала, причем тем больший, чем меньше теплопроводность. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева поверхностных слоев обрабатываемого материала. Примерами таких процессов является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п. С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов.
Сверхчистый нагрев. Если при нагреве газовым пламенем, а также с помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, то СВЧ энергию можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются. Кроме того, помещая нагреваемый материал в откачанный объем или инертный газ, можно устранить окисление его поверхности. Загрязнения от диэлектрика, через который подводится СВЧ энергия, весьма малы, т.к. в случае малых потерь даже при пропускании большой СВЧ мощности этот диэлектрик остается практически холодным.
Саморегулирующийся нагрев. При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как, например, дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность.
Получение СВЧ энергии большой мощности
Чтобы применение СВЧ энергии было экономически оправдано, необходимо выбирать такие СВЧ приборы, которые имели бы в сочетании следующие характеристики: высокий КПД преобразования энергии промышленной частоты в СВЧ энергию (не менее 50%, а лучше 70% — 90%) ; высокий уровень выходной мощности в непрерывном режиме (около 1 кВт и более); простые и дешевые источники питания (желательно питать СВЧ прибор, непосредственно подключая его к вторичной обмотке силового трансформатора промышленной электросети без выпрямителей и фильтров); простота конструкции, надежность, большой срок службы (не менее 2 — 5 тысяч часов); возможность эффективной работы при переменной нагрузке.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют магнетроны, пролетные многорезонаторные клистроны и амплитроны.
Наибольшее распространение в качестве источника СВЧ энергии получили магнетроны. Относительная простота конструкции малые размеры и высокий КПД делают их наиболее пригодными для использования во многих областях СВЧ энергетики. Опыт применения магнетронов и исследования их свойств привели к тому, что в настоящее время они почти исключительно применяются в промышленных СВЧ установках. Однако в перспективе им могут составить серьезную конкуренцию пролетные многорезонаторные клистроны. В начале семидесятых годов благодаря оптимизации параметров с помощью ЭВМ был получен КПД пролетных клистронов выше 70%. Такой высокий КПД в сочетании с электростатической фокусировкой и непосредственным питанием через повышающий трансформатор от сети промышленной частоты позволит заменить магнетроны в ряде применений.