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

но. Благодаря этому количество энергии СВЧ и момент ее приложения можно мгновенно изменять. Эта особен­ ность позволяет получать более высокое качество продук­ ции, а в некоторых критических режимах применения уменьшает опасность загорания. Так, например, на уста­ новке сушки бумажной ленты при разрыве ленты энергия СВЧ отключается и не происходит перегрева неподвиж­ ной бумаги, который мог бы привести к пожару.

В настоящее время способы применения энергии СВЧ настолько разнообразны, что не существует даже единой классификации, которая охватывала бы всю область при­ менения. Фактически полная классификация должна состоять из четырех подклассификаций, в которых за основу положены: 1) тип заказчика (промышленность, коммерческая сеть или бытовой потребитель); 2) выполня­ емый процесс (приготовление блюд из полуфабрикатов, приготовление пищевых продуктов, обработка лесомате­ риалов, полимеризация и т. д.); 3) результирующий эф­ фект (обезвоживание, полимеризация, образование сво­ бодных радикалов, накачка энергии); 4) способ связи генератора с обрабатываемым изделием (непосредствен­ ное облучение антеннами, облучение в ближнем поле излу­ чателей, установки с ленточным конвейером и (или) пе­ чи).

Подобные попытки классификации не могут претендо­ вать на абсолютную точность, но они очень полезны. На оборудовании СВЧ-нагрева, используемом в промышлен­ ности, производится обработка изделий, которые еще дол­ жны пройти большой путь до потребителя. В таком поло­ жении находятся изготовители сидений для автомобилей, изготовители хрустящего картофеля или полуфабрикатов из цыплят. В коммерческой сети сбыт обработанных изде­ лий и СВЧ-энергия производятся тут же. В качестве при­ меров можно привести автоматы подогрева булочек для завтрака, буфеты в институтах и учреждениях, буфеты на самолетах, рестораны или же применение энергии СВЧ для диатермии. При использовании в быту продукт уже куплен, и в типичном случае хозяйка дома готовит блюда из мяса или полуфабрикатов.

Классификация по выполняемому процессу сама со­ бой очевидна. Некоторые пояснения, видимо, нужно еде-

лать относительно классификации третьего вида. В про­ цессе обезвоживания используется тот факт, что ионные соли растворены в природной или промышленной водах и определяют ее электропроводность/ В процессе нагрева вода испаряется, концентрация солей повышается и сте­ пень ионизации поэтому стремится уменьшиться. Под дей­ ствием этого механизма в обрабатываемом изделии про­ исходит выравнивание распределения влаги и изделие приобретает более однородные свойства. Полимеризация происходит каждый раз, когда полярные молекулы под действием катализатора или теплового возбуждения пре­ одолевают энергетический барьер, препятствующий вза­ имодействию, и сближаются. В присутствии энергии СВЧ молекулярная структура возбуждается вдоль своей оси или начинает вращаться под действием дипольного мо­ мента; в любом случае при этом Нужно приложить доста­ точно энергии для преодоления барьера и возбуждения обычно экзотермической реакции. | В процессе образова­ ния свободных радикалов газообразный водород ионизи­ руется в разряде СВЧ. Таким образом, атомарный водо­ род получается в среде, где его удобнее всего использо­ вать. Этот способ производства радикалов исследуется сейчас для многих химических веществ и может привести к созданию новых представлений и технологических ме­ тодов, в которых энергия СВЧ либо будет непосредствен­ но играть роль катализатора, либо позволит увеличить эффективность другого недорогого катализатора.

От выбранных средств связи генератора с обрабаты­ ваемым изделием зависит эффективность использования энергии СВЧ, а также удобство эксплуатации. Обработка изделия в печи, по-видимому, позволит максимально ис­ пользовать энергию СВЧ. Однако такое решение наклады­ вает ограничение на производственный цикл — обработ­ ка в этом случае должна производиться партиями. В кон­ вейерной печи обрабатываемые изделия можно пропу­ скать через зону СВЧ-нагрева непрерывно, но возможна утечка энергии с обоих концов полой трубы. Оптималь­ ная эффективность достигается путем использования длин­ ной трубы малого диаметра. Кроме того, значительные, хотя и разрешимые, трудности конструктору приходится преодолевать в связи с необходимостью поглощения энер-

гии На входе и выходе печи, так как в противном случае она может помешать работе других служб или оказаться вредной для обслуживающего персонала. Наконец, в ря­ де случаев приходится иметь дело с такими деликатными или крупногабаритными объектами, что применить печи или конвейерную обработку нельзя. СВЧ-энергию в этих случаях нужно подавать с помощью специальных излу­ чателей, которые создают поля, принимающие большие значения на заданной поверхности и исчезающие на до­ статочно малом расстоянии от нее, благодаря чему пре­ дотвращается излучение. Излучатель такого типа особен­ но полезен при нагреве тонких пленок и в СВЧ-диатермии.

Эти разнообразные устройства и схемы классифика­ ции далее будут рассмотрены при подробном описании некоторых применений, представляющих интерес.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

I.И 1р р е 1 А. ес!., 01е1ес{пс Ма1епа15 апс! АррИсаНояз, Иеду Уогк, \УПеу, СатЬгЫбе, МаззасЬизеИз, ТесНпо1. Ргезз,

ОБРАБОТКА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

5.1.2. ПЛИТЫ И ПЕЧИ

К о пс он, Д е к а р о

I. Введение

Все СВЧ-печи молено разделить на две большие кате­ гории: 1) печи малой мощности, работающие при уров­ нях мощности от менее 1 кет до приблизительно 2 кет

и используемые, например, для приготовления блюд из полуфабрикатов (разд. 5.1.7), и 2) более мощные уста­ новки, мощность которых составляет от нескольких ки­ ловатт до более 100 кет и которые предназначены для

промышленных применений, например таких, какие опи­ саны в разд. 5.1.8. На фиг. 1—б показан внешний вид пе­ чей, относящихся к первой категории, печи второй кате­ гории рассматриваются во второй части этого раздела. Оборудование обеих категорий рассчитано на работу в диапазонах частот 915 и 2450 Мгц.

II. Основные принципы конструирования печей малой мощности

СВЧ-печь на данном этапе — это конструкция, огра­ ничивающая область взаимодействия между полями СВЧ и нагрузкой, в частности пищевым продуктом. СВЧ-печь, или СВЧ-плита общего назначения, представляет .собой металлический кожух, форма которого может быть раз­ личной в зависимости от того, на какую нагрузку (в виде нитей, листов или пластин) рассчитана та или иная печь непрерывного действия. Не для всех СВЧ-излучателей нужны физические границы. Существует, например, спи­ ральная антенна, описанная в работах [1, 2]. Это устрой­ ство для СВЧ-нагрева концентрирует поле в почти сфе­ рической области, окружающей антенну.

Вся СВЧ-печь состоит из восьми основных узлов, и элементов: 1) источник питания, посредством которого мощность сети подается к генератору и вспомогательным

вило, такая СВЧ-установка имеет принудительную вы­ тяжную вентиляцию и звуковую и световую сигнализа­ ции, облегчающие работу на ней.

А. Размеры нагревательной камеры. Размеры нагре­ вательной камеры определяются в результате исследова­ ния структуры поля, которое должно возбуждаться в ней. С этой целью проводят несколько приближенных измере­ ний, затем точную подстройку, необходимую для пере­ дачи энергии в нагрузку. На этом этапе нагревательнуЕо камеру с нагрузкой рассматривают как объемный резо­ натор, в котором должны возбуждаться специальные ви­ ды колебаний высшего порядка. Небольшие изменения размеров могут удвоить число возбуждающихся колеба­ ний. Резонансная длина волны Нтпр- и Етпр видов колеба­ ний в объемном резонаторе с размерами а, Ь и с опреде­

ляется выражением

(1)

где /л, л и р — наборы целых чисел. Полное число наборов значений т, п и р показывает, сколько видов колебаний

может возникать в резонаторе, если возбуждать его энер­ гией с длиной волны X. При фиксированном значении

длины волны оптимальный миоговидовый режим работы резонатора можно получить путем небольших изменений размеров, выбор которых может быть сделан, исходя из заданного объема камеры. Фирмы—изготовители генера­ торных приборов, например фирма «Амперекс электроник корпорейшн», предлагают таблицы расчетных дан­ ных, касающихся возможного числа видов в резонансных камерах заданного размера. Окончательно выбранные размеры резонатора должны быть такими, чтобы неболь­ шие отклонения их в пределах производственных допус­ ков не вызывали существенной расстройки системы. Повидимому, существует один набор значений т, л и р , ко­

торый иаилучшим образом удовлетворяет этому требо­ ванию.

Б. Взаимодействие СВЧ-полей и обрабатываемого пи­ щевого продукта. В рассматриваемой системе могут су­ ществовать по меньшей мере три резонанса. В первую

очередь это резонанс самой резонаторной камеры, кото­ рый представляет собой электрический резонанс, обу­ словленный возбуждением видов колебаний и передачей энергии поля в нагрузку. Во-вторых, это резонанс, кото­ рый наблюдается при передаче энергии в нагрузку и кото­ рый связан с размерами нагреваемого объекта. Такой ре­ зонанс может иметь место, если размеры соответствую­ щей нагрузки равны половине длины волны. Резонанс третьего типа может возникать на молекулярном уровне из-за резонансного взаимодействия с диполями некото­ рых веществ, спектр поглощения у которых приходится на рабочую частоту установки.

Хотя существует тенденция использовать СВЧ-печи

всамых разнообразных экспериментах, где вполне могут встретиться резонансы разного типа, все же основным для конструирования и работы печей является резонанс первого типа. От генератора энергия СВЧ проходит по волноводу. Распределение поля, которое устанавливается

вволноводе, определяет тип волны, переносящей СВЧэнергию. Через устройство связи энергия СВЧ попадает

врезонансную нагревательную камеру, которая является продолжением волновода. В этой камере возбуждаются колебания двух типов — основной вид и виды колебаний высшего порядка. Установлено, что эти виды колебаний зависят от частоты, свойств «пустой» камеры и от присут­ ствующей нагрузки. Для наших целей желателен многовидовый режим работы. Число видов колебаний с дли­ ной волны, большей %, определяется выражением

где V — объем камеры.

Виды колебаний различаются по фазе и пространствен­ ному распределению электромагнитной энергии. Благо­ даря относительному движению, а также фазовым и про­ странственным соотношениям, которые существуют меж­ ду полями и обрабатываемым пищевым продуктом, энер­ гия непрерывно поглощается, нагрузкой. В любой точке внутри резонансной камеры взаимодействие приводит к энергетическому обмену, при котором поглощаемая мощ­

ность пропорциональна квадрату напряженности поля и коэффициенту потерь нагрузки, т. е.

где е## — коэффициент потерь, е# — диэлектрическая про­ ницаемость.

В идеальном случае печь можно было бы рассчитать только на один вид нагрузки и отрегулировать устройство связи на передачу энергии от генератора к этой нагрузке. В действительности нагрузка меняется в широких пределах, но производимый нагрев остается на приемлемом уровне; хуже то, что непоглощенная энергия отражается и в линии

нагрузке и импеданса последней. При работе с идеальны­ ми линиями (без потерь) и при оптимальном согласовании

использовать и при^к.с.в.н. выше 4, хотя, долговечность генератора в таком режиме уменьшается. Помимо хоро­ шего согласования нагрузки для идеальной работы гене­ ратора требуется, чтобы нагрузка представляла собой однородную геометрическую структуру, соответствующую действующим полям. Желательно, чтобы эта структура была однородна по своим физическим свойствам и не ме­ нялась с температурой в процессе ее нагрева энергией СВЧ. Легко представить себе, насколько далеко откло­ няются от этого идеала реальные нагрузки, с которыми приходится иметь дело в процессе приготовления блюд, и данная ситуация еще раз подчеркивает ту большую ра­ боту, которую пришлось выполнить по созданию совре­ менной техники СВЧ-нагрева.

Если сразу же после поглощения энергии в какойлибо точке нагрузки происходит перемещение картины поля относительно нагрузки (или наоборот), то в такой точке не будет перегрева относительно других точек на­ грузки. Для получения подобного относительного пере­ мещения электрического поля (сдвига фазы векторов элек­ трических полей) применяют устройства «перемешива­