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

влажности, по_-видимому, является переходом к химически связанной воде. Отчасти ее ход отражает уменьшение к. п. д. преобразования СВЧ-энергии, что становится особенно заметным при низком коэффициенте потерь. В СВЧ-диапазоне, как показывает эксперимент, измене­ ние наклона кривой происходит между 4 и 6%, в то вре­ мя как на частоте 27 Мгц это происходит при 18% влаж­ ности. На частоте 27 Мгц преобразование энергии за­

труднено. Измерения, проведенные для бумаги на ча­ стоте 2,45 Ггц, показывают плавный спад кривой по мере

Ф и г. 4. Типичная зависимость коэффициента потерь от содержания влаги в материале.

уменьшения содержания влаги, но эти эксперименты еще недостаточно точны для количественной иллюстрации. На «влажном» конце кривой, согласно [61, обнаружено насыщение в дереве при влажности выше 24%; других работ, касающихся материалов с* такой влажностью, нет, за исключением работы по исследованию бумаги на частоте 27 М гц, где не отмечено нелинейности при 28%.

Логично, однако, предположить, что кривая будет вы­ равниваться в области действия капиллярных сил.

При уменьшении остаточной влажности коэффициент потерь и, следовательно, преобразованная мощность уменьшаются. Поскольку энергия концентрируется во влажной части материала, сушка этих частей идет бы-

стрее, чем предварительно высушенного материала с вы­ ровненным общим уровнем влажности. Когда линия бо­ лее крутая, процесс выравнивания влажности идет более эффективно. Если удастся экспериментально найти на­ клон кривой, то можно предсказать и сравнить процессы выравнивания при различных условиях. Ниже будет при­ веден ряд примеров.

Б. Математическое рассмотрение. Если предположить, что преобразование мощности описываетя выражением

условиях для двух различных концентраций влажности

Очевидно, что кх — масштабный коэффициент, и он исклю­

чается, если мы интересуемся только изменением поведе­ ния материала при различных содержаниях влаги. По­ стоянная к2, следовательно, зависит только от материала

и частоты и не зависит от типа СВЧ-системы. Если имеет место испарение, то

Из уравнений (1) и (4) находим

(5)

Разделяя переменные, получаем

к^д.1 =

Интегрируя по времени /, когда влажность М находится

в левой части кривой, имеем

дает количество энергии, необходимое для испарения данного количества воды. В действительности для малых к2М и к2М0 это выражение упрощается:

Уравнение (8) содержит также информацию и о'ско­ рости сушки. Если мы хотим посмотреть, что^случится с областями, которые начинают сушиться с различными исходными содержаниями воды, т. е. влажными полосами или участками в материале,^ остальном однородными, то можем подвести к каждой данной области одну и ту же мощность:

Это уравнение связывает изменение влажности в кон­ це цикла обработки (Мц М2) с начальной влажностью (М01, М02) независимо от уровня используемой мощности.

Таким образом, относительное высушивание зависит толь­ ко от материала и частоты. Теперь пусть нас интересует только максимальный разброс остаточной влажности в результате сушки, т. е. степень выравнивания влажности. Можно показать, что максимальный разброс может быть фиксирован для любых значений начальных вариаций

содержания влаги. Возьмем уравнение (12) и положим, что влажность данного участка неограниченно велика:

Уравнение (20) показывает, что для того чтобы обеспе­ чить данную степень выравнивания влажности {М2 — Мх) при данном к2, который зависит^только от материала, по­

длежащего сушке, и рабочей частоты, продукты в делом нужно высушивать при определенной , минимальной ве­ личине (М01 — М г). Чем больше постоянная выравнива­ ния к2, тем меньше времени и расхода энергии требуется

для сушки. г-.

В. Значения постоянных. В табл. 1 показаны значения

й2, рассчитанные по уравнению (3).’ Представляет интерес рассмотреть^эти данные, полученные .различными спосо­ бами,, поскольку величиньиР^в"!уравнейии (3) непосред­ ственно связаны как с затуханием, так и с характеристи­ ками обрабатываемого материала при заданном электри­ ческом поле. В работе 17]^сообщаютсядтакие данные для обрабатываемого диэлектрика, как вес воды, испаренной на единицу площади за 1 час. В работах 18, 5] приводятся

результаты экспериментов по СВЧ-сушке бумаги, которые были получены на основе измерений затухания в щеле-

вом волноводе аналогично тому, как это сделано для тка­ ней [4]. Постоянные для дерева были получены по изме­ нению веса в зависимости от относительной мощности, потребляемой при склеивании однослойной фанеры, ко­ торая пропускалась через промышленный сушильный агрегат [9]. В работе [6] приводятся данные, полученные на основе измерений затухания, проведенных с помощью двух рупорных антенн, а в работе [10] измерялись стоя­ чие волны в волноводе.

Г. Экспериментальные результаты. Числовые приме­

ры представлены на фиг. 5: изображено графически урав­ нение (12) для двух значений к2 (10 и 20), типичных для

бумаги, обработанной в ВЧ- и СВЧ* сушильных установ­ ках на частотах, указанных в табл. 1. Так как лист высу­ шивался в общем от 15% влажности (М01) до 5% (Ма), левая часть уравнения (12) фиксирована. Тогда можно по­ казать ход кривой для двух переменных, находящихся в правой части уравнения (12), представляющих^содержание влаги во влажном участке до сушки (М02) и после (М2) сушки.

Можно видеть, что кривая для к2 = 20 выравнивает­

ся, не доходя 6%, что указывает на то, что конечный раз­ брос влажности не превышает 1%. Кривая для к2 = 10

не выравнивается вплоть до величины влажности, не­ сколько меньшей 10%, и конечный разброс влажности составляет величину порядка 5%. Поскольку среднее время общей сушки одинаково, то и количество затрачен-

Начальиая влажность,%

Фиг . 5. Выравнивание влажности для двух типичных, для бумаги значений к2.

ной энергии будет одинаковым; однако степень выравни­ вания уровня влажности у СВЧ-установок лучше, чем у ВЧ-установок (установок диэлектрического нагрева).

Как видно, селективность, т. е. способность высуши­ вать влажные участки существенно быстрее, чем сухие, можно представить постоянной к, которая является функ­

цией только частоты и свойств материала в интересующем нас диапазоне. Она увеличивается с частотой для данного материала. Это позволяет прийти к выводу, что чем выше частота, тем выше селективность и, следовательно, тем большая однородность содержания влаги будет иметь место в высушенном материале.

Обозначения

кх — масштабный коэффициент в эксперименте; к2 — постоянная выравнивания уровня влажности ди­

электрика; ^ — скрытая теплота парообразования для воды;

М— весовая доля влаги по’отношению к весу высушен­ ного диэлектрика;

М0 — исходная весовая доля^влаги по отношению к весу

4.В г а <1у М., Ьозз МеазигетепСз оп ЧУеГ ТехШез а! 9 ОНг, Тек. Ко1а1 Е-35] Ыопуеб, ОеГепзе Рез. ЕзГаЬ., К|е11ег, Иогугау,

5.1.19.ОЦЕНКА МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Во с с , Т и н г а

Основные принципы

Для правильной оценки применимости СВЧ-мощности в специальных процессах требуется детальное .знание свойств материала на различных частотах и на всех ста­ диях процесса. В большинстве случаев задача упрощается и сводится к определению зависимости комплексной ди­ электрической постоянной ес от частоты /, содержания влажности т и температуры Т. Особенно важно знать

информацию о наличии воздушных пустот. Поэтому необ­ ходимо испытать соответствующие образцы, взятые с про­ изводственной линии. В других случаях могут потребо­ ваться сведения о магнитных свойствах материала. Все эти данные определяют степень неоднородности нагрева, требуемую сложность всей системы и выбор наиболее приемлемых частот. Только в немногих случаях, имею­ щих практическое значение, процесс сушки с использо­ ванием СВЧ-энергии является как самоограничивающимся, так и саморегулирующимся. Самоограничивающицся процесс относится к тем случаям, когда материал в ко­ нечной стадии обработки поглощает мало или совсем не поглощает СВЧ-энергии. Саморегулирующийся процесс характеризуется тем, что свободная водами другие основ­ ные полярные жидкости в смеси имеют“характеристину поглощения мощности, падающую при увеличений тем­ пературы. В смесях имеет место распределение по вре­ менам дипольной релаксации и энергиям активации, и любая приемлемая техника оценки свойств должна опре­ делять измеряемые макроскопические эффекты в зависи­ мости от этих факторов и связывать скорости нагрева и диффузии (миграция влаги при сушке) с физической при­ родой материала. Возможности контроля качества, ско­ рости обработки и к. п. д. системы, которые и составляют преимущества, обусловленные применением СВЧ-энер­ гии в сочетании с другими источниками энергии, непо­