книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

вок периодического действия. Среди них можно назвать следующие установки:

Номиналь­ Фирма-разработчик Заказчик ная мощ­ Диапазон

ность. кат

III. Принципы построения СВЧ-сушилок

Тепловую энергию можно передавать путем излуче­ ния, теплопроводности или конвекции. В процессе СВЧсушки передача тепла материалу производится путем об­ лучения его энергией СВЧ. Влага или субстанции, ко­ торые должны испаряться, поглощают электромагнитную энергию по всему объему материала, и происходит высу­ шивание. Высокая эффективность процесса передачи энер­ гии по всему объему позволяет проводить нагрев и высу­ шивание за короткое время. На фиг. I представлены гра­ фики, иллюстрирующие типичные процессы СВЧ-сушки

всравнении с сушкой обычными методами. Мощность, передаваемая электромагнитным полем в

обрабатываемый материал, пропорциональна частоте, квадрату напряженности поля и коэффициенту диэлек­ трических потерь. Из этой закономерности (справедливой и для обычного диэлектрического ВЧ-нагрева) вытекает важное преимущество СВЧ-сушки, так как в этом про­ цессе используются значительно более высокие частоты. В США для промышленного, научного и медицинского использования отведены диапазоны 915, 2450, 5800 и 22 500 Мгц. Сушильные СВЧ;установки работают именно

в этих диапазонах. Выбор .рабочей частоты определяется дисперсионными характеристиками [3] материала, кото­ рый подлежит сушке, и конструкцией суш ^ки.

Предполагая, что обрабатываемый материал является диэлектриком с потерями и заключен между пластинами плоского конденсатора, можно вывести двепростые, но полезные для расчега СВЧ-сушилок формулы. Из урав-

нения энергии № = у СЦ2 выражение для поглощаемой

мощности можно определить как действительную часть производной й\Р1<И9 где величина С — прямо пропорцис-

Обычный процесс

СВЧ-сушка включаетсяв этойточке вместо обычного процесса

нг%

костьсушкидвумяметодами

Обычнаяпродолжительность

обработки

б

Фи г . I. Сравнительная продолжительность процесса сушки на обычной сушилке и 'на СВЧ-сушнлке.

а — применение СВЧ-сушчи пместо дощкч воздухом; б — комбиннроианныП процесс сушки.

нальна комплексной диэлектрической проницаемости. Та­ ким образом, можно получить

Формула (3) дает толщину слоя материала с комплекс­ ной диэлектрической проницаемостью е, в котором мощ­ ность на частоте / уменьшается вдвое. Формула (2) свя­ зывает возрастание температуры с количеством погло­ щенной мощности (1) при отсутствии тепловых потерь и изменений агрегатного состояния. Формулы (1) и (2) легко обобщить и на случай, когда существуют токи про­ водимости [4], что в ряде конкретных применений может оказаться необходимым.

IV. Расчет СВЧ-сушилок с нагревом в поле бегущей волны

Сушильные установки с нагревом в поле бегущей волны идеально подходят для применения на поточной линии. Они отличаются от более широко распространенных су­ шилок резонаторного типа с большой плотностью видов колебаний. Последние удобнее использовать в качестве сушилок периодического действия. Нагрузка в них фак­ тически служит подавителем видов колебаний. Поэтому к. п. д. этих сушилок находится в пределах от плохого до посредственного. В сушилках с нагревом в поле бегу­ щей волны нагрузка и передающая линия дополняют друг друга так, что образуется линия с потерями, в которой вся мощность потерь используется для сушки. Такие сушильные установки характеризуются высокой эффек­ тивностью связи между мощностью, создаваемой генера­ тором, и мощностью, получаемой нагрузкой.

Сушильную установку с нагревом в поле бегущей вол­ ны физически можно представить периодически нагру­ женной передающей линией. Такую линию можно было бы рассмотреть как каскадное включение отдельных секций и применить простые методы перемножения мат­ риц. Но этого пока что сделать нельзя, так как изменение величины затухания связано с изменениями температуры и содержания влаги. Тот факт, что поглощаемая мощг ность пропорциональна содержанию воды в материале, повышает равномерность высушивай ия в сушилках с на­ гревом в поле бегущей волны.

Поскольку наша задача не решается в точном виде, нужно найти простые формулы, которые позволили бы по измеряемым параметрам линии определять длину и к. п. д. сушилки, а также мощность, требуемую для конкрет­ ного применения. Будем предполагать при выводе этих формул, что материал, определяющий характеристиче­ ские параметры на входе (или выходе) линии, движется со скоростью V . Если направление движения материала

совпадает с потоком энергии, сушилку называют установ­ кой согласного (сопсиггеп!) типа, если же материал и энергия движутся в разные стороны, то такую сушилку будем называть противоточной или встречной (соип1егсиггеп!). Если движение материала происходит перпен­ дикулярно направлению движения волны, то такую су­ шилку можно назвать установкой с поперечным потоком (сго55сиггеп1); в этом случае нужно оговаривать располо­ жение генераторного конца линии относительно входа или выхода конвейера. Подробнее эти вопросы рассматри­ ваются ниже (разд. 5.1.17), На фиг. 2 схематически пока­ зана общая конфигурация сушилки, а на фиг. 3 приведена эквивалентная схема для нагруженной линии, изобра­ женной на фиг. 2.

Случай 1. Сушилка согласного типа, ат— 0. Переходя

к бесконечно малым приращениям, предположим, что материал продвинулся на расстояние йг = ь<И и мощность АР, рассеянная в материале, вызвала некоторое испарение

влаги и соответствующее уменьшение постоянной зату­ хания на величину (1а. Легко показать, что эти процессы

связаны между собой уравнением

д Р йа.

(4)

Л-р

которое после интегрирования в пределах

Р ( г ) < Р < Р « и а (г) < а <

дает

Заметим, что [Рох— Р(г)1 — мощность, поглощаемая в линии на длине первых г метров. Из теории передающих

линий имеем

Чтобы найти выражение для Р(г), можно использовать

результаты последнего интегрирования путем подстанов-

I

Оконечная

нащзка

г

Ф и г. 3. Эквивалентная схема сушильной установки со* гласного типа (энергия и обрабатываемый материал движутся в одном направлении).

ки г вместо I и уравнение (5); можно также найти Р(г)

интегрированием уравнения (6). В результате интегри* рования получаем

Случай 2. Сушилка согласного типа, ат Ф 0. Уравнение

(5) означает возможность а(г) 0, когда поглощенная

мощность равна мощности, требуемой для испарения

всей влаги. Чтобы исключить эту некорректность, сле­ дует записать

(II)

Случай 3. Сушилка встречного типа. В этом случае уравнение (4) принимает вид

На входе линии поглощенная мощность равна нулю, так как_Р(г)^= Р,* и

а(0) = аЛ+ а ,.

При г = /, где I — длина сушилки,

° (0 = ат + + аМ| “р " " } •

Эта величина равна ам, когда поглощенная мощность

РвХ — Р(/) равна т|сРтр, гдет]е—к. п. д. связи, определяе­ мый ниже. Таким образом, в сушилке встречного типа обычно уровень мощности выше РТр.

Уравнения, аналогичные уравнениям (10) и (И) для сушилки встречного типа, имеют вид

(16)

гдет]с — к. п. д. связи, определяющий связь поглощенной мощности [Рвх — Р(1)] с входной мощностью, т. е. Рпогл =

= Рвх — Р(/) = т]с.Р вХ. К. п. д. связи является функцией длины линии.

Случай 4. Сушилка с поперечным потоком. Этот осо­ бый случай имеет практическое значение, когда энергия и материал движутся во взаимно перпендикулярных на­ правлениях. При этом медленно движущийся материал вводит в систему большое количество воды, и при той же скорости величина Р^ соответственно выше, чем в опи- 'санных ранее случаях. Пусть наша система длиной I состоит из п одинаковых секций, каждая из которых имеет длину р, так что / = пр. Скорость движения обрабаты­

ваемого материала равна ь. Следовательно, за исключе­

нием разницы в величине Ртр, наш анализ будет таким же, жак в случаях 2 и 3, и приведет к таким же уравнениям.

V.Типичные примеры расчета сушилок

А.Пример 1. Желательно, если только это возможно, измерить а м,, а г и ат для секции линии в условиях лабо­

ратории. Часто эти изменения нельзя провести в самом начале, но их можно выполнить позднее при повторных контрольных расчетах данных параметров. Здесь мы рассмотрим установку для сушки тканей, работающую на частоте 2450 Мгц. Сырая ткань размером 0,4 X 230 мм

пропускается в направлении, перпендикулярном распро­ странению энергии, сквозь волновод №К-284, собранный

вформе «меандра». Обрабатываемый материал пропускает­ ся через разрезы в широкой стенке волновода и оказы­ вается в максимальном электрическом поле. Зная ком­ плексную диэлектрическую проницаемость материала и воды, можно рассчитать а = 1/2Р1&6. Расчет р для вол­

новода, нагруженного диэлектриком, выполняется обыч­ ными способами 15, 6].

В данном примере влажность ткани на входе системы равна 19%, а на выходе снижается до 4%. Расчетные зна­ чения ам = 0,226, а 1 = 0,057 неп/м и ат = 0,021 неп/м.

Пользуясь этими значениями, а также уравнениями (9) и (10), определяем параметры, приведенные в таблице.

Измерения, выполненные заказчиком в условиях, сходных с теми, для которых проводился расчет, дали величину затухания 13 дб на первых 1,8 м длины печи.

Таким образом, теория дала небольшую ошибку в сторо­ ну завышения параметров установку,

Б. Пример 2. В этом примере мы рассмотрим установку для обработки пищевых продуктов, действующую на ча­ стоте дециметрового диапазона. Частицы продукта об­ разуют тонкослойную пище-воздушную среду, обладаю­ щую свойствами моноаксиального кристалла [5]. Этот анизотропный эффект незначителен, и в практических при­ менениях им можно пренебречь. В этом случае, как и раньше, желательно измерить требуемые постоянные затухания, но пока этого не было сделано. Вместо этого были измерены диэлектрические проницаемости компо­ нентных материалов и затем производился расчет постоян­ ных затухания с помощью обычных методов, на которые

для сухого материала и потерь в волноводе. Вода посту­ пает в систему со скоростью 47,5 кг/час. Это дает величи­

Приведенные здесь значения показывают возможно­ сти, которыми располагает конструктор при выборе таких параметров, как длина печи и к. п. д. связи.

В. Пример 3. В этом примере мы рассмотрим некоторые

особенности сушильной установки, разработанной На­ циональным исследовательским советом Канады для Ка­ надского управления кинотехники [7, 81. Эта установка предназначена для сушки больших и неудобных в обра­ щении черно-белых и цветных фотоотпечатков шириной