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.

[pic]

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).

[pic]

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

волновода:

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

Обозначим через g1= [pic] 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.

[pic]

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.

Нагрев по сечению будет равномерным, если первый от оси максимум

функции P(r)=f(g1r) располагается в пределах обрабатываемого диэлектрика

при некотором значении 0<r0<rд, а минимум этой функции, в отличие от

графиков, приведенных на рис. 5, будет расположен вне диэлектрика т.е. при

r0>rд. Соответствующие расчеты показывают, что наименьшее отклонение

функции P(r)=f(g1r) от равномерной имеет место при r0/rд=0,5 и не превышает

±7% своего значения на оси.

Для конкретного случая: rд=1 см; e1=35; l=12,6 см; т.е. k=2p/l=0,5

1/см (e1=35 соответствует диэлектрической постоянной обрабатываемого

материала, который при термообработке на СВЧ требует равномерного

распределения температуры по радиусу). Постоянная распространения волны b

получается по расчету равной 1,56 1/см и lв=2p/b=4 см, т.е. длина волны в

волноводе получилась меньше длины волны в свободном пространстве l=12,6 см.

Это значит, что для получения равномерного нагрева по радиусу следует

применить замедляющую систему осесимметричного типа с замедлением, равным 2

— 3 . Это сравнительно небольшое замедление характерно для ЗС типа цепочки

связанных резонаторов или диафрагмированного волновода. Именно такая ЗС и

применяется в установке для термообработки, например сосисочного фарша,

схематически показанной на рис. 6.

[pic]

Рис. 6. Схема СВЧ нагревателя для термообработки сосисочного фарша:

1 — ЗС типа «диафрагмированный волновод»; 2 — кварцевая трубка, заполненная

фаршем; 3 — коаксиально-волноводный переход; 4 — дрехдецибельный мост для

деления мощности СВЧ генератора пополам; 5 — короткозамыкающие поршни в

прямоугольном волноводе; 6 — согласующие секции диафрагмированного

волновода.

Теперь, когда известны диаметр диэлектрика 2r0 и его диэлектрическая

проницаемость e1, рабочая длина волны l и замедление m, при котором имеет

место равномерное распределение тепловых источников по поперечному сечению,

и тип ЗС, необходимо так подобрать ее геометрические размеры, чтобы, кроме

требуемого значения m (т.е. b), дисперсия вблизи рабочей длины волны была

как можно меньше. Тогда легче добиться согласования ЗС с прямоугольным

волноводом по которому подается СВЧ энергия. Увеличивается также полоса

частот, в которой замедление постоянно и становятся в менее жесткими

допуски на размеры конструктивных элементов ЗС.

Одно и тоже замедление, но при разной крутизне дисперсионной

характеристики при рабочей длине волны, можно получить при разных

сочетаниях размеров b и c (см. рис. 6). Наименьшая дисперсия получается при

b=1,35 см и c=4,3 см.

Отметим интересные конструктивные особенности установки, приведенной

на рис. 6. Во-первых, СВЧ энергия от генератора разветвляется на две равные

части в трехдецибельном волноводном мосте и подается с обоих концов ЗС типа

цепочки связанных резонаторов (диафрагмированного волновода) навстречу друг

другу через коаксиально-волноводные переходы. В этом случае получается

более «мягкий» нагрев обрабатываемого материала, а генератор предохраняется

от отражений в периоды отсутствия сырья. Длина рабочей части ЗС выбрана

такой, чтобы встречные волны при заполнении центральной части ЗС фаршем,

т.е. диэлектриком с большими потерями, затухали немного дальше середины

волновода. Диаметр d выбирают таким, чтобы в пределах этого отрезка

коаксиальной линии не было высших типов волн, а могла распространяться

только волна типа ТЕМ. Согласование прямоугольного волновода с ЗС

осуществляется экспериментально путем подбора положения короткозамыкающих

поршней диаметра внешнего проводника первой секции ЗС и формы утолщения

центрального проводника в коаксиально-волноводном переходе.

Сравнительные измерения показали, что при применении ЗС типа цепочки

связанных резонаторов перепад температуры составляет 6°C (от

64°C на оси до 70°C при r=rд), а в круглом волноводе 37°C (от 68°C на оси

до 31°C у стенки кварцевой трубки).

Плазменные СВЧ горелки (плазмотроны) и их применение

Свойства электронно-ионной плазмы. Плазма — это состояние вещества,

находящегося в газообразном состоянии, в котором большое количество атомов

и молекул ионизированно; атомы стали ионами, т.е. электрически заряженными

частицами, потеряв один или несколько электронов. Кроме ионов в плазме

имеются и свободные электроны. Если их заряд приблизительно равен заряду

ионов, то такая плазма называется квазинейтральной, т.е. в целом ее

электрический заряд равен нулю.

Для понимания физики взаимодействия плазмы с СВЧ колебаниями

необходимо отметить следующие обстоятельства.

Электрические и магнитные поля на СВЧ во времени меняются столь

быстро, что за время нарастания амплитуды электрического поля до максимума

(четверть периода СВЧ колебаний) электроны смещаются на очень небольшие

расстояния x: x @ 2eE/(w[pic]m), где e и m — соответственно заряд и масса

электрона. Важно обратить внимание, что x пропорционально E и обратно

пропорционально квадрату угловой частоты сигнала w. При амплитуде E=Em=100

В/см и l=10 см (w=2p*3*10[pic]рад/с) x=0,01 мм. При Em=10 кВ/см x=1 мм.

Наименьшая масса иона у водорода, но и она в 1840 раз больше m. В

результате при тех же условиях смещение иона водорода будет равно всего

лишь 10[pic] или 10[pic] мм. Отсюда важное следствие: на СВЧ можно

пренебречь движением ионов под действием СВЧ сигнала и рассматривать только

движение электронов.

Основные параметры плазмы: N — концентрация заряженных частиц в

единице объема; e — относительная диэлектрическая проницаемость плазмы на

СВЧ, которая определяется без учета соударений электронов с ионами и

нейтральными молекулами только значениями N и w по формуле

e = 1 - Ne[pic] / (w[pic]me0) = 1 - w[pic]п / w[pic],

где wп = [pic] — плазменная круговая частота, а e0 = 0,886*10[pic]

A*c/(В*м) — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из

формулы видно, что плазма является диэлектриком, у которого e<1, но могут

быть и случаи, когда e становится отрицательной величиной или равняется

нулю (при w=wп) или, переходя к плазменной частоте fп в герцах и подставляя

численные значения e, m и e0, можно получить fп=wп/2p=8980[pic] Гц, т.е.

однозначно определяется концентрацией заряженных частиц в единице объема N.

Из этого выражения видно, что при концентрации заряженных частиц в единице

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6