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

VII. Заключение

В данном разделе приведены расчетные формулы, в которые входят как измеряемые, так и рассчитываемые параметры. Эти формулы позволяют определить длину сушилки, входную мощность, выходную мощность и к. п. д. сушилки. Рассмотрены примеры применения этих формул при проектировании сушильных установок с на­ гревом в поле бегущей волны.

Дана общая характеристика современного состояния в области СВЧ-сушилок с нагревом в поле бегущей вол­ ны. Прогнозируются некоторые направления дальней­ шего развития..

Обозначения

№— энергия, дж;

О— поглощенная мощность, вт/м8;

Е — напряженность поля, в/м\

с— удельная теплоемкость;

р— плотность, кг/л13;

X — длина волны в свободном пространстве, м\

е= е0(е' — /е*) — комплексная диэлектрическая проницаемость;

=е"/е';

V — скорость материала в сушилке, м/сек;

ат — минимально достижимая постоянная затухания, т. е. постоянная затухания линии с полностью высушенным обрабатываемым материалом;

у(г) — постоянная распространения; а(г) — постоянная затухания;

Р(г) — фазовая постоянная; У(г) — полная характеристическая проводимость, омГ1', Рдх — входная мощность, вш\

изводства лесоматериалов являются сокращение времени сушки и выдержки, а также усиленный контроль качест­ ва. Как указывалось [11, контроль качества окончатель­ но высушенной фанеры должен производиться независимо от изменения условий получения сырья. Равномерно низ­ кое контролируемое содержание влаги требуется для ка-

чественного склеивания, обеспечения прочного затверде­ вания и предотвращения потерь материала. Последнее особенно существенно по экономическим соображениям.

В данном разделе СВЧ-энергия рассматривается в ка­ честве регулируемого источника тепла, используемого в совокупности с традиционными методами сушки. Благода­ ря физическим свойствам многих естественных диэлек­ триков при высоких частотах управление качеством, об­ суждавшееся выше, становится реализуемым при про­ цессе СВЧ-сушки. До 90% и даже большую долю СВЧэнергии, генерируемой системой, можно преобразовать в тепло именно во влажной части древесины при низком общем содержании влаги, что достигается в результате имеющих место процессов самоограничения и саморегу­ лировки. Существуют и другие преимущества, состоящие в том, что частота системы остается постоянной для лю­ бых нагрузок и что ширина материала существенно не ограничивается. С этой точки зрения СВЧ-методы сущест­ венно отличаются от методов, использующих радиоча­ стоты (1—30 Мгц). При сушке естественных материалов

скорость, с которой влага, находящаяся внутри мате­ риала, эффективно переносится к поверхности, опреде­ ляет время сушки. В большинстве случаев необходимо сделать эту скорость в точности соответствующей ско­ рости, с которой влага удаляется с поверхности. При этом условии не происходит повреждения структуры материа­ ла. Регулировка испарения с поверхности сама по себе не представляет проблемы, однако глубокий эффектив­ ный прогрев, требуемый для того, чтобы вызывать нужное изменение давления пара в материале, порождает необ­ ходимость решения целого ряда задач в различных об­ ластях промышленности.

В обычных сушильных печах, например, поверхност­ ному испарению препятствует относительно высокая влаж­ ность в горячей атмосфере, необходимая для обеспечения проникновения тепла в толщу материала. Этот процесс протекает медленно и неэкономично вследствие низкой теплопроводности древесины и трудности регулировки. Это относится также к пшенице, волокнам и другим ма­ териалам. В случае обработки дерева быстрое удаление влаги с поверхности также приводит к напряжениям, ко­

торые могут вызвать структурные разрушения на боль­ ших площадях (закаливание и поверхностное растрески­ вание [2]). Если материалы нагреваются неравномерно, то правильная максимальная скорость сушки может быть установлена для каждого частного случая путем подбора температуры воздуха и относительной влажности. Выход влаги зависит от градиента влагосодержания (от дерева к воздуху) и коэффициента диффузии. Последний сущест­ венно растет с ростом температуры материала. Величины коэффициента диффузии для дерева приведены в ра­ боте [3].

В относительно широком частотном диапазоне можно глубоко прогревать влажные материалы без нагревания окружающего воздуха, используя так называемую ди­ электрическую или ВЧ-технику нагрева. В диапазоне 1—30 Мгц в большинстве волокнистых материалов в

первую очередь поглощает мощность вода. В работах [4, 5] исследован высокочастотный нагрев древесины и сделан вывод о том, что три метода, а именно кипячение, метод температурного градиента и высокотемпературные методы, являются неэкономичными, за исключением не­ которых специальных случаев, когда обработке подвер­ гаются небольшие куски пористой древесины. Техника СВЧ с успехом применялась для конечного склеивания фанеры — случай, когда требуется большая селективность распределения мощности между деревом и материалом, подлежащим нагреву. Первая работа [6], относящаяся к этой и родственным областям, проиллюстрировала мно­ гие технические приемы, которые применимы в специаль­ ных случаях. Однако патент [7], в котором описывается метод понижения температуры дерева, подлежащего склеиванию для уменьшения поглощаемой деревом мощ­ ности, раскрывает характер задач, которые приходится решать. Тот факт, что в последнее время обращаются к высоким частотам (30—300 Мгц), указывает на расту­

щий интерес к этой форме сушки. Ряд авторов в обсужде­ нии «электронной сушки» таких специфических предметов, как ружейных лож, ракеток для гольфа и т. д., исходят из того, что преимущества, достигаемые за счет управле­ ния качеством процесса (улучшенная прочность на срез, увеличенное сопротивление растрескиванию и т. д.),

чая Харвея [81. Промышленная система на 50 кет вместе

с возможными элементами подвода мощности показана на фиг. 1 и 2. Однако в отдельных случаях специальных применений в качестве источника объемного нагрева мо­ жет быть с успехом использован многовидовый большой резонатор, оформленный в виде сушильной печи. В обоих случаях при правильной конструкции более 90% генери­ руемой мощности СВЧ может быть использовано для нагревания материала. Напряженность электрического

.поля в обоих типах устройств мала по сравнению с пробив­ ной напряженностью, так что последняя не представляет проблемы в данном случае.

Поглощенная и преобразованная в тепло СВЧ-мощ- ность в диэлектрическом материале с потерями может быть рассчитана с учетом диэлектрической постоянной, кото­ рая выражается в виде комплексной величины

циент диэлектрических потерь. Для плоской волны, рас­ пространяющейся в среде с характеристическим сопро­ тивлением т)0 (фиг. 3, а), плотность падающей мощности, переносимой волной, связана с напряженностью электри­ ческого поля соотношением

р«

Р -г- пад

паД ‘ 2По *

При достижении границы материала часть .мощности отражается обратно к источнику. Оставшаяся часть мощ­ ности передается материалу, при этом электрическое поле затухает по экспоненте е~аг, где а — постоянная затуха­

ния материала. Можно показать, что плотность мощности, переносимой волной, .уменьшается до 0,37 РпроШ (1/е от

величины мощности у поверхности материала) на рас­ стоянии [9]

Ф и г. 3. Прохождение ТЕМ-еолны черев диэлектрический материал с потерями.

Соотношения для поглощенной, отраженной и пере­ данной мощностей для общего случая диэлектрика с по­ терями толщиной ^ [101 (фиг. 3, б) являются комплекс­

ными, и вывод их представляет большие трудности, в част­ ности для случая, когда ес зависит от температуры. Одна­ ко для случая малого а/ ( Е ППош постоянно) поглощенную мощность можно представить в виде

Поскольку 1 ет = 0,239 кал, температура материала

будет расти со скоростью

= 0,239 град!сек, (3)

где с — теплоемкость материала, кал/г-град, и р — плот­ ность материала, г/см3. Уравнения (2) и (3) являются

приемлемыми приближениями для расчета нагрева влаж­ ных материалов, если известны величины е' и е" в виде функции содержания влаги и температуры. Во всех нагре­ вательных СВЧ-системах глубина проникновения поля обратно пропорциональна частоте. При заданной степени нагрева напряженность электрического поля необходимо уменьшить с увеличением частоты.

Если согласованную нагрузку, показанную на фиг. 3, б, заменить отражающей металлической стенкой, расположенной за материалом, то теоретически возможно поглощение в материале всей мощности; непроизводитель­ ные потери могут иметь место лишь в металлических стен­ ках. Это пример квазирезонансной структуры. На прак­ тике более приемлемым является метод достижения тех же условий при использовании многовидовых резонаторов. Если оптимизировать размеры резонатора 1111, то мощ­ ность будет равномерно распределяться по всем поверх­ ностям материала. Уравнение (1) можно использовать для расчета глубины проникновения, а нарастание тем­ пературы выразится тогда в виде

Для секции волновода типа «меандр», изображенной на фиг. 2, в работе 112] показано, что среднее температур­ ное распределение вдоль материала может быть записано

Приведенное выражение является аппроксимацией ну­ левого порядка при условии ограничения в* < Ьг'/па