Установки сверхвысоких частот диэлектрического нагрева с перестраиваемой частотой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

УСТАНОВКИ СВЧ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ЧАСТОТОЙ

А.В. Федоров

Рассматриваются вопросы применения генераторов, перестраиваемых по частоте, в установках СВЧ диэлектрического нагрева. Приведены классификация рабочих камер установок СВЧ диэлектрического нагрева и результаты расчетов параметров рабочих камер с бегущей волной и камер лучевого типа в одночастотном и широкополосном режимах. Показано, что изменением частоты СВЧ-генератора в процессе нагрева диэлектрика в камере с бегущей волной, построенной на нерегулярном отрезке прямоугольного волновода, достигается лучшее, чем в одночастотном режиме, согласование СВЧ-генератора с рабочей камерой на всем протяжении нагрева, а в камере лучевого типа с рупорным излучателем удается зафиксировать глубину проникновения электромагнитной волны в диэлектрик на постоянном уровне.

Ключевые слова: камера с бегущей волной, камера лучевого типа, установка СВЧ диэлектрического нагрева, длина волны, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, одночастотный режим, широкополосный режим, глубина проникновения электромагнитной волны.

Исследования и разработки в области нагрева диэлектрических сред, материалов и изделий в сверхвысокочастотном электромагнитном поле (СВЧ диэлектрический нагрев) начались в середине пятидесятых годов XX века. От нагрева конвекцией, теплопроводностью и тепловым излучением этот способ нагрева отличает объемное тепловыделение и, как следствие, ускорение процесса термообработки и большая равномерность нагрева обрабатываемого диэлектрика по объему. СВЧ диэлектрический нагрев широко используется для термообработки пищевых продуктов (СВЧ или микроволновые печи) [1, 2], а также во многих других технологических процессах, таких как нагрев, сушка, дефростация, пастеризация, стерилизация, упрочнение, разрушение, вулканизация и иная модификация полимеров [3, 4]. генератор диэлектрический нагрев электромагнитный

Структурная схема установки СВЧ диэлектрического нагрева (У СВЧ ДН) приведена на рис. 1. Основными элементами У СВЧ ДН являются рабочая камера, где происходит технологический процесс, и источник СВЧ-энергии, традиционно работающий на одной из частот, установленных для технологических установок.

Рабочие камеры подразделяются на камеры с бегущей волной (КБВ), со стоячей волной (КСВ) и камеры лучевого типа (КЛТ) [5].

Существенным недостатком термообработки диэлектриков энергией СВЧ электромагнитных колебаний является неравномерность распределения теплоты в диэлектрике в процессе нагрева. Это происходит в связи с зависимостью диэлектрических параметров (относительной диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла диэлектрических потерь tg д) обрабатываемого объекта от температуры [5].

Рис. 1. Структурная схема У СВЧ ДН

У нагреваемого объекта е'(T) и tg д(T) при проектировании У СВЧ ДН на КБВ (рис. 2а, б) профиль неоднородного волновода, обеспечивающий равномерный нагрев и согласование КБВ с СВЧ генератором, обычно рассчитывается на средние значения е' и tg д в рабочем диапазоне температур [6]. При изменении этих параметров в процессе нагрева происходит рассогласование рабочей камеры с СВЧ-генератором, отчего снижается энергетическая эффективность, возникает неравномерность нагрева. КБВ рассчитывают для конкретного обрабатываемого диэлектрика, что делает их неуниверсальными, но КБВ обладают наибольшим КПД и наилучшей равномерностью термообработки в сравнении с другими типами рабочих камер.

Рис. 2. Рабочие камеры У СВЧ ДН: а - КБВ на прямоугольном волноводе; б - КБВ на круглом волноводе; в - КСВ на прямоугольном резонаторе; г - КЛТ с излучающим рупором

КСВ представляет собой обычно прямоугольный резонатор, работающий в режиме стоячей волны. Из-за этого неравномерность нагрева в КСВ значительно больше, чем в КБВ. В определенной степени ситуацию спасает применение в КСВ металлического диссектора или диэлектрического поддона с tg д = 0, вращающихся от отдельных электроприводов, но в КСВ можно обрабатывать диэлектрики разной формы, с разными е' и tg д, а потому У СВЧ ДН на КСВ получили широкое распространение (бытовые СВЧ или микроволновые печи). Разумеется, зависимости е'(T) и tg д(T) обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева влияют на равномерность поглощения диэлектриком энергии СВЧ электромагнитного поля, но это не меняет общей картины термообработки в таких рабочих камерах.

В У СВЧ ДН на КЛТ (рис. 2г) изменение е' и tg д обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева приводит к изменению глубины проникновения электромагнитной волны в обрабатываемый диэлектрик:

где л - длина волны СВЧ-генератора.

Изменяется и КПД по использованию СВЧ энергии:

где Г = Г(е', tg д, л) - коэффициент отражения от поверхности обрабатываемого диэлектрика.

Улучшить равномерность нагрева в КБВ и КЛТ, повысить КПД по использованию СВЧ-энергии в У СВЧ ДН можно, перестраивая частоту СВЧ-генератора У СВЧ ДН синхронно с изменением диэлектрических параметров обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева. Как правило, в У СВЧ ДН в качестве генераторов используются магнетроны. Эти электровакуумные приборы работают на фиксированной частоте. Для перестройки частоты СВЧ-генератора вместо магнетрона можно использовать широкополосные СВЧ-генераторы высокой мощности (ЛБВ-генератор, ЛОВ, полупроводниковые приборы).

Рассмотрим имеющиеся здесь возможности.

Для примера в качестве обрабатываемого диэлектрика выберем один из пищевых продуктов - филе трески. Зависимости е'(T) и tg д(T) этого продукта приведены в работе [7] и показаны на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости диэлектрических параметров филе трески от температуры (влагосодержание 81,2 %): а - е'(T); б - tg д(T)

Пусть КБВ представляет собой отрезок нерегулярного прямоугольного волновода сечением на входе 4,5Ч9 см со слоем обрабатываемого диэлектрика на широкой стенке. Расчет такой КБВ с применением теории цепей приведен в работе [8]. КПД по использованию СВЧ-энергии такой рабочей камеры определяется соотношением (1), в котором

Здесь Zin(T) - входное сопротивление КБВ, Z00 - волновое сопротивление линии передачи (прямоугольного волновода), соединяющей СВЧ-генератор с КБВ, причем

где а - величина широкой стенки волновода;

b - величина узкой стенки волновода;

Z0(z) - волновое сопротивление прямоугольного волновода КБВ со слоем обрабатываемого диэлектрика в сечении z, отсчитываемом от короткого замыкания КБВ;

Rp(T), Xp(T) - погонные сопротивления эквивалентной схемы КБВ, рассчитываемые на среднюю температуру нагрева Tср [8].

Для полного согласования рабочей камеры с линией передачи необходимо, чтобы

Условия (5) выполняются при

где Rpr, Xpr - значения погонных сопротивлений эквивалентной схемы КБВ при температуре, на которую рассчитывается профиль рабочей камеры; - длина волны в волноводе.

При проектировании У СВЧ ДН часто характеризуют КПД по использованию СВЧ-энергии и неравномерность нагрева одним показателем - коэффициентом стоячей волны по напряжению KstU: чем больше KstU, тем меньше КПД з и тем больше неравномерность нагрева. На рис. 4 показаны зависимости KstU КБВ, работающей в одночастотном режиме и с изменяемой в процессе нагрева частотой СВЧ-генератора.

Профиль прямоугольного волновода КБВ, работающей в одночастотном режиме, рассчитывается по соотношению (4) для средних в рабочем диапазоне частот значений е' и tg д филе трески, так что в этом случае рабочая камера в середине температурного диапазона имеет меньший KstU, чем в начале и конце технологического процесса.

Рис. 4. Зависимость KstU(T) КБВ при нагреве филе трески:
1 - одночастотный режим (f = 2450 МГц); 2 - широкополосный режим (b2 = 9,2 мм)

Расчет профиля волновода КБВ, работающей в широкополосном режиме, проводится для е' и tg д, соответствующих начальной температуре филе трески, так что наилучшее согласование КБВ с генератором наблюдается в начале технологического процесса (рис. 4). Затем для каждого следующего значения температуры обрабатываемого диэлектрика Tn определяется оптимальное значение л генератора, при котором с учетом изменения значений Rp и Xp из-за изменения е' и tg д филе трески KstU минимально возможное. Согласно рис. 4, изменяя л(T), обеспечить KstU = 1 не удается, так как длина рабочей зоны КБВ задана конструкцией рабочей камеры, а Z00 согласно соотношению (3) изменяется с изменением длины волны л. Вместе с тем рис. 4 свидетельствует, что в широкополосном режиме параметры КБВ значительно лучше, чем в одночастотном.

Говоря о широкополосном режиме работы КБВ на прямоугольном волноводе, важно отметить, что изменение длины волны генератора ограничено частотным диапазоном волновода, подводящего СВЧ-мощность к рабочей камере на волне H10: длина волны должна находиться в диапазоне a < л < 2a, где а - размер широкой стенки волновода. Рассчитанная зависимость длины волны СВЧ-генератора от температуры обрабатываемого диэлектрика для КБВ с параметрами, показанными на рис. 4, приведена на рис. 5.

Широкополосный генератор нельзя рекомендовать к применению в У СВЧ ДН на КСВ (рис. 2в), так как резонаторы таких рабочих камер рассчитываются на определенную (резонансную) частоту СВЧ-генератора.

Широкополосный режим можно рекомендовать в У СВЧ ДН на КЛТ (рис. 2г). Изменяя синхронно с изменением е'(T) и tg д(T) длину волны СВЧ-генератора, можно, например, обеспечить постоянство глубины проникновения электромагнитной волны вглубь диэлектрика. Действительно, если плоская СВЧ электромагнитная волна падает перпендикулярно на поверхность плоского диэлектрика, то прошедшая в диэлектрик СВЧ мощность P0 поглощается обрабатываемым диэлектриком неравномерно, так как

где ф - время нагрева;

б - коэффициент затухания СВЧ электромагнитной волны в диэлектрике, причем

Рис. 5. Зависимость л(T) широкополосного режима работы КБВ при нагреве филе трески

За глубину проникновения СВЧ электромагнитной волны дp примем, как обычно [6], толщину слоя обрабатываемого диэлектрика, на которой СВЧ-мощность P уменьшается в e раз (), тогда

Разбив слой диэлектрика дp на N тонких слоев толщиной дP/N, перепишем соотношение (6) в виде

где n - номер слоя;

и tg дi - диэлектрические параметры i-того слоя диэлектрика.

Тогда, если

где еi' и tg дi должны быть определены для каждого слоя с учетом температуры T на каждом интервале термообработки ф, причем

здесь Ti,st - температура i-того слоя диэлектрика в начале рассматриваемого интервала нагрева;

c - удельная теплоемкость диэлектрика;

с - плотность нагреваемого диэлектрика;

V = apbpдp/N; ap, bp - размеры апертуры излучающего рупора.

Результат расчета зависимости л(ф) по соотношению (10), при котором глубина проникновения в обрабатываемый диэлектрик на всей продолжительности нагрева остается постоянной, приведен на рис. 6а, а зависимости дp(ф) - на рис. 6б.

Рис. 6. Характеристики КЛТ: а - л(ф) при широкополосном режиме: б - дp в одночастотном и широкополосном режимах (P0 = 1000 Вт, обрабатываемый диэлектрик - филе трески)

Для расчета дp при одночастотном режиме работы КЛТ соотношение (10) следует записать в виде

откуда определяется N при заданной длине волны СВЧ генератора л и толщине слоя l. Тогда дp = lN. Результат расчета приведен на рис. 6б.

Приведенные результаты расчетов показывают возможность улучшения параметров У СВЧ ДН применением широкополосных СВЧ-генераторов. Приведенные соотношения могут быть использованы при проектировании широкополосных У СВЧ ДН.

Библиографический список

1. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 210 с.

2. Рогов И.А., Некрутман С.В., Лысов Г.В. Техника сверхвысокочастотного нагрева пищевых продуктов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 199 с.

3. Толстов В.А., Архангельский Ю.С. Эффективность электротехнологических установок. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000. - 148 с.

4. СВЧ модификация полимеров / Ю.С. Архангельский, Е.М. Гришина, В.А. Лаврентьев, С.К. Слепцова. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2012. - 288 с.

5. Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ электротермии. - Саратов: Научная книга, 2011. - 560 с.

6. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1998. - 408 с.

7. Sipahioglu O., Barringer S.A., Bircan C. The Dielectric Properties of Meats as a Function of Temperature and Composition. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. - 2003. - № 38 (3). P. 161-169.

8. Архангельский Ю.С. Применение теории цепей при синтезе рабочих камер СВЧ электротермических установок и математическом моделировании термообработки в СВЧ электромагнитном поле // Вопросы электротехнологии. - 2015. - № 3(8). - С. 9-15.

Размещено на Allbest.ru