Скачать

Энергетика СВЧ в народном хозяйстве: применение СВЧ-нагрева в пищевой промышленности

Предлагаемая курсовая работа ставит задачу дать физические представления о работе электронных приборов СВЧ и их применении в различных отраслях народного хозяйства, в частности, в пищевой промышленности, а также дать расчетные данные по волновым приборам, нагреву и сушки материалов с помощью СВЧ энергии.

Если в 40-х — 50-х годах электроника СВЧ в основном служила потребностям радиолокации и связи, то в последние годы она все шире применяется во многих отраслях хозяйства, ускоряя научно-технический прогресс, повышая эффективность и качество производства.

Появлению новых областей применения мощной СВЧ электроники способствует ряд специфических свойств электромагнитных колебаний этого диапазона частот, которые позволяют создать неосуществимые ранее технологические процессы или значительно их улучшить. К ним относятся, например: создание сверхчистой плазмы с широким интервалом температур; возможность серийного изготовления простых по конструкции и удобных в эксплуатации мощных генераторов СВЧ энергии, с помощью которых могут осуществляться полимеризация и упрочнение различных изделий и материалов, в частности шин и лакокрасочных покрытий, упрочнение металлов, стабилизация параметров полупроводников и т.д.; все более широкое применение получают нагрев и сушка с помощью СВЧ различных материалов, в частности приготовление пищи, пастеризация молока и т.п.

Познакомить с возможностями СВЧ электроники в области народного хозяйства — одна из главных задач этой работы. При работе были использованы материалы книги Ю. Н. Пчельникова и В. Т. Свиридова Электроника сверхвысоких частот, научно-технических статей, опубликованных в журналах «Электронная техника», «Радио» и др.

Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний

Для радиоэлектронных устройств, предназначенных для использования в промышленности и сельском хозяйстве (т.е. народном хозяйстве), выделены диапазоны частот, приведенные в таблице 1.

Таблица 1.

Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний

Особенности нагрева диэлектриков в диапазонах УВЧ и СВЧ

В подавляющем большинстве случаев нагрев каких — либо физических тел производится путем передачи тепла снаружи во внутрь за счет теплопроводности.

На СВЧ при рациональном подборе частоты колебаний и параметров камер, где происходит преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение тепла по объему тела. Эффективность преобразования энергии электрического поля в тепло возрастает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату напряженности электрического поля. При этом следует отметить простоту подачи СВЧ энергии практически к любому участку нагреваемого тела.

Важное преимущество СВЧ нагрева — тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.

Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.

Важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от длины волны, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь d как функции длины волны l . При этом в многокомпонентной смеси диэлектриков будут нагреваться только те части, где высокий tg d.

Равномерный нагрев. Обычно передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад) от поверхности в глубину материала, причем тем больший, чем меньше теплопроводность. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева поверхностных слоев обрабатываемого материала. Примерами таких процессов является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п. С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов.

Сверхчистый нагрев. Если при нагреве газовым пламенем, а также с помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, то СВЧ энергию можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются. Кроме того, помещая нагреваемый материал в откачанный объем или инертный газ, можно устранить окисление его поверхности. Загрязнения от диэлектрика, через который подводится СВЧ энергия, весьма малы, т.к. в случае малых потерь даже при пропускании большой СВЧ мощности этот диэлектрик остается практически холодным.

Саморегулирующийся нагрев. При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как, например, дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность.

Получение СВЧ энергии большой мощности

Чтобы применение СВЧ энергии было экономически оправдано, необходимо выбирать такие СВЧ приборы, которые имели бы в сочетании следующие характеристики: высокий КПД преобразования энергии промышленной частоты в СВЧ энергию (не менее 50%, а лучше 70% — 90%) ; высокий уровень выходной мощности в непрерывном режиме (около 1 кВт и более); простые и дешевые источники питания (желательно питать СВЧ прибор, непосредственно подключая его к вторичной обмотке силового трансформатора промышленной электросети без выпрямителей и фильтров); простота конструкции, надежность, большой срок службы (не менее 2 — 5 тысяч часов); возможность эффективной работы при переменной нагрузке.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют магнетроны, пролетные многорезонаторные клистроны и амплитроны.

Наибольшее распространение в качестве источника СВЧ энергии получили магнетроны. Относительная простота конструкции малые размеры и высокий КПД делают их наиболее пригодными для использования во многих областях СВЧ энергетики. Опыт применения магнетронов и исследования их свойств привели к тому, что в настоящее время они почти исключительно применяются в промышленных СВЧ установках. Однако в перспективе им могут составить серьезную конкуренцию пролетные многорезонаторные клистроны. В начале семидесятых годов благодаря оптимизации параметров с помощью ЭВМ был получен КПД пролетных клистронов выше 70%. Такой высокий КПД в сочетании с электростатической фокусировкой и непосредственным питанием через повышающий трансформатор от сети промышленной частоты позволит заменить магнетроны в ряде применений.

Амплитроны имеют КПД 60% — 70%, а иногда и 80%. Однако принципиально амплитроны схожи с магнетронами и имеют в основном те же недостатки: катод находится в пространстве взаимодействия, отработанные электроны бомбардируют волноведущую систему и т.д.

Рассмотрим подробнее работу магнетрона непрерывного действия в качестве источника СВЧ энергии для промышленного применения.

Применение последовательного электромагнита. Создание магнитного поля магнетрона с помощью электромагнита, включенного последовательно в анодную цепь прибора, позволяет упростить схему питания, понизить стоимость установки, повысить устойчивость работы магнетрона при колебаниях напряжения в сети и изменениях параметров высокочастотной нагрузки (ее модуля и фазы). Кроме того, применение последовательного электромагнита открывает возможность простой регулировки выходной мощности в довольно широких пределах.

Упрощение схемы питания достигается рациональным выбором параметров электромагнита, в результате чего магнетрон может работать при непосредственном включении в последовательно соединенных анодной цепи магнетрона и обмотки электромагнита в цепь вторичной обмотки силового трансформатора по схеме двухполупериодного выпрямления. Если индуктивность электромагнита недостаточна, то для сглаживания пульсаций анодного тока дополнительно последовательно с электромагнитом может быть включен дроссель. Суммарная индуктивность должна составлять 10 — 30 Гн. Эта схема наиболее проста и удобна, когда в установке работают два магнетрона, а через обмотки электромагнита протекает слегка пульсирующий постоянный анодный ток поочередно генерирующих магнетронов (рис. 1). Переменная составляющая анодного тока может быть в достаточной степени уменьшена за счет увеличения индуктивности дросселя и электромагнитов.

Рис. 1. Схема безвыпрямительного питания магнетронов с последовательными электромагнитами от сети переменного тока промышленной частоты:

1 — магнетрон; 2 — электромагнит; 3 — высоковольтный трансформатор.

При работе двух магнетронов открываются новые возможности для улучшения использования СВЧ энергии. Так, например, если генерируемые частоты несколько отличны друг от друга, то можно получить более равномерное распределение плотности СВЧ энергии по объему, в котором происходит тот или иной технологический процесс.

Рассмотренная схема питания используется в СВЧ печах, разработанных отечественной промышленностью.

В качестве примера приведем характеристики магнетрона для промышленного применения типа M571. Его основные параметры следующие: рабочая частота 2375 ±50 МГц; выходная мощность 2,5 кВт в непрерывном режиме при Kстv < 1,1; анодное напряжение 3,6 кВт; анодный ток 1,1 A; мощность накала 300 Вт; магнитная индукция 0,135 T; Kстv нагрузки, допустимой в любой фазе, при питании от стабилизированного выпрямителя до 3,5.

Рабочими характеристиками магнетронов называют зависимости анодного напряжения Uа и выходной мощности Pвых от анодного тока Iа. Зависимость Uа=f(Iа) называют также вольт-амперной характеристикой.

Если сравнить рабочие характеристики магнетрона М571 при работе с постоянным магнитом и с последовательным электромагнитом при питании его от выпрямителя со сглаживающим фильтром, то можно отметить следующее. Применение электромагнита позволяет более плавно регулировать выходную мощность, меняя Uа, причем КПД h остается достаточно высоким (более 46%) при изменении Pвых от 2,5 (h = 60%) до 0,5 кВт (h = 46%).

Нагрузочными характеристиками магнетрона называют зависимости Iа и Pвых от модуля и фазы комплексной нагрузки. Сравнение нагрузочных характеристик при тех же условиях, при которых рассматривались рабочие характеристики, показывает, что применение последовательного электромагнита позволило существенно уменьшить изменение анодного тока и выходной мощности при изменении фазы нагрузки. А это, в свою очередь, не только улучшает использование СВЧ энергии, но и положительно сказывается на долговечности магнетрона.

Рабочая и нагрузочная характеристики при безвыпрямительном питании магнетрона с применением дросселя и последовательного электромагнита по схеме, изображенной на рис. 1, практически не отличаются от характеристик магнетрона при строго постоянном анодном напряжении.

Уменьшение пульсаций магнитного поля. Современные магнетроны имеют металлокерамическую конструкцию, причем стенки корпуса анодного блока, выполненные из меди, достигают по толщине 9 — 10 мм. Эта особенность конструкции оказалась весьма полезной для уменьшения пульсаций магнитного поля в пространстве взаимодействия за счет поверхностного эффекта на частоте 100 Гц, т.е. на частоте пульсаций в однофазных двухпериодных схемах выпрямления. Толщина поверхностного слоя для меди на частоте 100 Гц d = 6,7 мм. При этом переменная составляющая магнитного поля в пространстве взаимодействия H2 будет составлять всего лишь 0,2 переменной составляющей магнитного поля вне корпуса анодного блока H1(H2/H1=e@ 0,2).

Поэтому если амплитуда пульсаций анодного тока 20% среднего значения, то амплитуда пульсаций напряженности магнитного поля в пространстве взаимодействия для магнетрона M571 — всего 2% — 3%. Это, в свою очередь, позволяет считать магнитное поле в пространстве взаимодействия постоянным, и требования к стабилизации источников питания для создания постоянного магнитного поля могут быть существенно снижены.

Сравнение электромагнитов и постоянных магнитов. Современные конструкции электромагнитов по размеру и массе не превышают постоянных магнитов с теми же параметрами. Электромагнит для магнетрона M571 является малогабаритным (210x130x110 мм), его масса - около 4 кг. Благодаря секционированию обмоток и наличию ребер электромагнит не требует принудительного охлаждения, так как тепловые потери обмоток невелики сами по себе. Расход энергии на питание электромагнита значительно перекрывается улучшением электронного КПД магнетрона и увеличением его СВЧ мощности. Кроме того, при использовании электромагнитов уменьшается стоимость эксплуатации установок. При замене магнетрона электромагнит остается, в то время как пакетированный магнетрон заменяется вместе с постоянным магнитом.

Резонаторные камеры для установок СВЧ нагрева диэлектриков

Конструкция резонаторных камер должна быть такой, чтобы внутри них нагрев был одинаков в любой части внутреннего объема, занятого обрабатываемым диэлектриком. С другой стороны, объем камер должен быть достаточно большим, чтобы в течение каждого цикла обрабатывать значительное количество материала и полностью использовать мощность СВЧ генератора. Как уже говорилось, для промышленного применения выделены небольшие участки спектра электромагнитных излучений, поэтому произвольно выбирать рабочую длину волны нельзя. Одним из наиболее удобных диапазонов для нагрева диэлектриков является диапазон волн вблизи 12,6 см (2375 ±50 МГц).

Исходя из приведенных требований в устройствах СВЧ нагрева находят применение резонаторные камеры в виде прямоугольных объемных резонаторов, линейные размеры которых в 5 — 6 раз превышают длину волны генератора. В подобном резонаторе может существовать несколько различных видов колебаний (более десяти), у каждого из которых свое распределение электрического и магнитного полей внутри объема резонатора. Такие резонаторы называются многомодовыми, т.е. в них может быть одновременно возбуждено несколько видов колебаний.

Поля различных видов колебаний, если они возбуждены от одного генератора с фиксированной длиной волны, могут в различных точках внутреннего объема резонатора интерферировать, т.е. складываться и вычитаться. В результате в некоторых точках могут быть более сильные поля (от сложения полей нескольких видов колебаний), а в других - более слабые (вследствие вычитания). Поэтому суммарное поле может быть существенно неравномерным.

Размеры и параметры объемных резонаторов могут быть рассчитаны на ЭВМ и оптимизированы. Задача оптимизации состоит в том, чтобы выбрать такие размеры резонатора, при которых в нем можно было бы возбуждать только определенные виды колебаний, а интерференция между ними давала бы возможно более равномерное поле по объему. При этом возбуждающие колебания устройства должны устанавливать строго определенные соотношения между амплитудами тех видов колебаний, которые дают суммарное равномерное поле.

Несколько иной способ получения равномерности нагрева — это применение двух или более генераторов, работающих на разных, но обычно близких частотах, или введение изменения во времени генерируемой длины волны в некоторых возможных пределах ±Dl.

Чем ближе по шкале длин волн расположены виды колебаний рассматриваемого многомодового резонатора, тем меньшее изменение длины волны генератора оказывается достаточным для улучшения равномерности нагрева и получения равномерного электромагнитного поля в нем даже при слабой загрузке резонатора обрабатываемым диэлектриком.

Для СВЧ нагрева наиболее пригодны такие многомодовые резонаторы, у которых резонансные длины волн различных видов колебаний расположены по шкале длин волн не сгустками, а возможно более равномерно. Это получается, когда размеры резонатора a, и lрез соизмеримы, но не равны, т.е. когда резонатор представляет собой параллелепипед, близкий к кубу, но не куб (рис. 2).

Рис. 2. Возбуждение рабочей камеры устройств нагрева диэлектриков:

1 — рабочая камера; 2 и 3 — прямоугольные волноводы от СВЧ генераторов с рабочими длинами волн l1 и l2.

Например, для рабочего диапазона длин волн 12,6 ±0,252 см практически равномерный спектр резонансных длин волн или резонансных частот достигается при соотношениях axbxlрез=52x57x58 или 56x57x60 см. Резко неравномерный спектр получается при axbxlрез=58x60x60 или 59x59x60 см и тем более в кубическом резонаторе 59x59x59 см. Интересно, что в первом случае в полосе длин волн 12,6±0,252 см имеется 62 вида колебаний с различными резонансными частотами, во втором - 56, а соответственно в третьем, четвертом, пятом имеются только 30, 33 и 15.

Если резонансные частоты двух или нескольких видов колебаний равны между собой, то такие виды колебаний называются вырожденными. В кубическом резонаторе имеется шестикратное вырождение многих видов колебаний, а в третьем и в четвертом — двух- и иногда трехкратное вырождение. Вот почему в этих резонаторах меньше резонансных частот, чем в первом и во втором, при одной и той же рассматриваемой полосе рабочих длин волн.

Уровень загрузки резонаторных камер. Здесь необходимо различать два случая. Если резонатор полностью заполнен диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости e и большими потерями, то резко падает его нагруженная добротность и согласовать ввод энергии, обеспечивающий полную передачу СВЧ энергии от генератора в объем диэлектрика, относительно просто.

Сложнее обстоит дело, если резонатор загружен диэлектриком слабо или когда в резонаторе имеется значительный объем диэлектрика с малым e (меньше 2) или малый объем диэлектрика с высоким значением e. При этом собственные виды колебаний резонатора резко смещаются по частоте, а добротность резонатора для этих видов колебаний снижается незначительно. Поэтому такой резонатор в первом приближении можно рассчитывать без учета потерь.

Возбуждение рабочих камер. Так как в промышленных установках необходимо передавать в рабочую камеру СВЧ мощность высокого уровня, измеряемую киловаттами в непрерывном режиме, то из многих типов возбуждающих устройств оказываются пригодными только такие, которые имеют достаточную электрическую прочность. К подобным возбуждающим устройствам, например, относится открытый конец прямоугольного волновода, расположенный в соответствующем месте стенки рабочей камеры (см. рис. 2).

Открытый конец волновода помещается там, где у требуемых видов колебаний в резонаторе располагаются пучности магнитного поля, причем направление силовых линий магнитных полей должно быть параллельным как в возбуждающем волноводе с волной H10, так и для рабочего вида колебаний в камере. Наоборот, для тех видов колебаний, возбуждение которых нежелательно, в этом месте должен быть узел магнитного поля или же силовые линии их магнитных полей должны быть перпендикулярны силовым линиям магнитного поля рабочих видов колебаний.

На рис. 2 схематически показаны рабочая камера и два возбуждающих ее волновода. Применяя два ввода, можно увеличить число возбуждаемых в заданном диапазоне видов колебаний и увеличить таким образом равномерность нагрева диэлектрика.

Чтобы избежать передачи СВЧ энергии из одного ввода в другой, можно применять либо разную их поляризацию (вектор E в волноводе 2 перпендикулярен вектору E в волноводе 3 на рис. 2), либо поместить второй ввод в области узлов магнитного поля тех видов колебаний, которые возбуждаются первым вводом, либо применить оба этих способа.

СВЧ нагрев движущихся диэлектрических лент и изделий круглого поперечного сечения

Применение СВЧ нагрева движущихся лент позволяет существенно поднять производительность установок нагрева и во многих случаях значительно улучшить качество выпускаемой продукции. Так, полимеризация в СВЧ полях капроновых канатов увеличивает их прочность на разрыв в несколько раз. При СВЧ сушке стеклоленты удается понизить ее конечную влажность до 1% и увеличить скорость процесса до 4 — 5 м/мин. Длина камеры, в которой происходит сушка, составляет 1 м при СВЧ мощности на входе 1,5 кВт. Сушка СВЧ нагревом бумажной ленты на бумагоделательных комбинатах позволяет увеличить скорость протягивания ленты через сушильную камеру с 8 до 100 м/мин.

Первоначально в высокочастотных установках для фиксации и сушки крученых изделий из синтетических волокон обрабатываемые изделия протягивали между пластинами конденсаторов.

Главными недостатками этих установок являлись низкий КПД, сложность экранирующих конструкций и электрические пробои при влажном состоянии изделий. Эти недостатки можно устранить, применив в качестве основы камеры сушки и фиксации ЗС, по продольной оси которой протягивается крученое волокно, а на конце ЗС подключается согласованная нагрузка (рис. 3), которая служит для поддержания режима бегущей волны в ЗС.

Рис. 3. Схема установки для фиксации и сушки крученых изделий из синтетических волокон:

1 — СВЧ генератор; 2 — камера для фиксации сушки в виде замедляющей системы; 3 — согласованная нагрузка; 4 — станция для натяжения и транспортирования синтетического изделия 5; 6 — груз.

Это дополнительно уменьшает опасность пробоя по сравнению со случаем, когда в ЗС был бы режим стоячей волны. Таким образом, обрабатываемое изделие протягивается в области сильного высокочастотного электрического поля замедленной бегущей вдоль ЗС волны и занимает значительную часть поперечного сечения, в пределах которого расположено электромагнитное поле этой волны. Кроме того, благодаря замедлению волны длина камеры получается существенно меньше, чем в случае применения волноводов или коаксиальных линий. Отметим также, что направление движения изделия и бегущей электромагнитной волны могут совпадать (режим прямотока или прямоточная сушилка), а могут быть и противоположными (режим противотока). В режиме прямотока наибольшая подводимая к сушилке СВЧ мощность приходится на влажные части обрабатываемого диэлектрика, а в режиме противотока — на почти сухие. Важно еще отметить, что при проектировании подобных сушилок необходимо учитывать не только поглощение изделием СВЧ энергии, но и конвективный теплообмен с окружающим пространством.

Обеспечение равномерности нагрева по толщине. Для тонких лент (бумаги, стеклоткани и т.п.) проблемы неравномерности нагрева по толщине не возникает, поскольку толщина лент меньше (обычно в 200 — 500 раз) рабочей длины волны и нагревающее электрическое СВЧ поле практически не меняется по толщине материала. Иное дело для материала круглого поперечного сечения (капроновые канаты, сосисочный фарш и пр.), где диаметр поперечного сечения соизмерим с рабочей длиной волны (скажем, более 0,1l), особенно если диэлектрическая проницаемость материала велика и равна нескольким десяткам. Тогда электрическое СВЧ поле, а следовательно, и нагрев по сечению могут быть крайне неравномерны. Ели не добиться равномерности выделения тепла по сечению, то выравнивание температуры будет происходить за счет теплопроводности и тогда, чтобы не перегреть области с сильным полем, придется снижать мощность СВЧ нагрева и удлинять время обработки. В результате преимущества СВЧ нагрева могут быть сведены к нулю.

Рассмотрим конкретный пример. В первых установках для нагрева стержней круглого поперечного сечения применялся круглый волновод с волнами типа E0i, вдоль продольной оси которого по кварцевой трубке пропускалось нагреваемое вещество (рис. 4). При больших значениях e обрабатываемого диэлектрика, равных 20 — 50 и более, распределение тепла по радиусу получается очень неравномерным: вблизи оси - максимум нагрева, а затем с увеличением r все более быстрый спад почти до нуля, причем спад тем более быстрый, чем больше e (рис. 5).

Рис. 4. СВЧ нагреватель для диэлектрического стержня в виде круглого волновода:

1 — волновод; 2 — нагреваемый диэлектрик; 3 — кварцевая трубка.

Обозначим через g1= радикальную постоянную для области, занимаемой диэлектриком. Здесь k=2p/l — волновое число, а =2/lв — постоянная распространения волны вдоль продольной оси в объеме обрабатываемого диэлектрика.

Рис. 5. Распределение мощности источников тепла P(r)/P(0) в зависимости от r/rд для различных значений e1 в нагревателе, изображенном на рис. 4 (rд=1 см; R=5 см; l=12,6 см).

Теоретический анализ показывает, что мощность источников тепла P(r) в зависимости g1r изменяется волнообразно, а перемещать максимумы и минимумы по направлению r можно изменяя g1. Поэтому для получения равномерного распределения источников по r необходимо подобрать соответствующие значения g1. Как видно из формулы для g1, при заданных значениях e1 и k=2/l это равноценно подбору соответствующего значения =2/lв=w/vф, т.е. фазовой скорости волны vф вдоль продольной оси волноведущей системы.

Нагрев по сечению будет равномерным, если первый от оси максимум функции P(r)=f(g1r) располагается в пределах обрабатываемого диэлектрика при некотором значении 00д, а минимум этой функции, в отличие от графиков, приведенных на рис. 5, будет расположен вне диэлектрика т.е. при r0>rд. Соответствующие расчеты показывают, что наименьшее отклонение функции P(r)=f(g1r) от равномерной имеет место при r0/rд=0,5 и не превышает ±7% своего значения на оси.

Для конкретного случая: rд=1 см; e1=35; l=12,6 см; т.е. k=2/l=0,5 1/см (e1=35 соответствует диэлектрической постоянной обрабатываемого материала, который при термообработке на СВЧ требует равномерного распределения температуры по радиусу). Постоянная распространения волны получается по расчету равной 1,561/см и lв=2/=4 см, т.е. длина волны в волноводе получилась меньше длины волны в свободном пространстве l=12,6 см. Это значит, что для получения равномерного нагрева по радиусу следует применить замедляющую систему осесимметричного типа с замедлением, равным 2 — 3 . Это сравнительно небольшое замедление характерно для ЗС типа цепочки связанных резонаторов или диафрагмированного волновода. Именно такая ЗС и применяется в установке для термообработки, например сосисочного фарша, схематически показанной на рис. 6.

Рис. 6. Схема СВЧ нагревателя для термообработки сосисочного фарша:

1 — ЗС типа «диафрагмированный волновод»; 2 — кварцевая трубка, заполненная фаршем; 3 — коаксиально-волноводный переход; 4 — дрехдецибельный мост для деления мощности СВЧ генератора пополам; 5 — короткозамыкающие поршни в прямоугольном волноводе; 6 — согласующие секции диафрагмированного волновода.

Теперь, когда известны диаметр диэлектрика 2r0 и его диэлектрическая проницаемость e1, рабочая длина волны l и замедление m, при котором имеет место равномерное распределение тепловых источников по поперечному сечению, и тип ЗС, необходимо так подобрать ее геометрические размеры, чтобы, кроме требуемого значения m (т.е. ), дисперсия вблизи рабочей длины волны была как можно меньше. Тогда легче добиться согласования ЗС с прямоугольным волноводом по которому подается СВЧ энергия. Увеличивается также полоса частот, в которой замедление постоянно и становятся в менее жесткими допуски на размеры конструктивных элементов ЗС.

Одно и тоже замедление, но при разной крутизне дисперсионной характеристики при рабочей длине волны, можно получить при разных сочетаниях размеров и c (см. рис. 6). Наименьшая дисперсия получается при b=1,35 см и c=4,3 см.

Отметим интересные конструктивные особенности установки, приведенной на рис. 6. Во-первых, СВЧ энергия от генератора разветвляется на две равные части в трехдецибельном волноводном мосте и подается с обоих концов ЗС типа цепочки связанных резонаторов (диафрагмированного волновода) навстречу друг другу через коаксиально-волноводные переходы. В этом случае получается более «мягкий» нагрев обрабатываемого материала, а генератор предохраняется от отражений в периоды отсутствия сырья. Длина рабочей части ЗС выбрана такой, чтобы встречные волны при заполнении центральной части ЗС фаршем, т.е. диэлектриком с большими потерями, затухали немного дальше середины волновода. Диаметр d выбирают таким, чтобы в пределах этого отрезка коаксиальной линии не было высших типов волн, а могла распространяться только волна типа ТЕМ. Согласование прямоугольного волновода с ЗС осуществляется экспериментально путем подбора положения короткозамыкающих поршней диаметра внешнего проводника первой секции ЗС и формы утолщения центрального проводника в коаксиально-волноводном переходе.

Сравнительные измерения показали, что при применении ЗС типа цепочки связанных резонаторов перепад температуры составляет 6°C (от

64°C на оси до 70°C при r=rд), а в круглом волноводе 37°C (от 68°C на оси до 31°C у стенки кварцевой трубки).

Плазменные СВЧ горелки (плазмотроны) и их применение

Свойства электронно-ионной плазмы. Плазма — это состояние вещества, находящегося в газообразном состоянии, в котором большое количество атомов и молекул ионизированно; атомы стали ионами, т.е. электрически заряженными частицами, потеряв один или несколько электронов. Кроме ионов в плазме имеются и свободные электроны. Если их заряд приблизительно равен заряду ионов, то такая плазма называется квазинейтральной, т.е. в целом ее электрический заряд равен нулю.

Для понимания физики взаимодействия плазмы с СВЧ колебаниями необходимо отметить следующие обстоятельства.

Электрические и магнитные поля на СВЧ во времени меняются столь быстро, что за время нарастания амплитуды электрического поля до максимума (четверть периода СВЧ колебаний) электроны смещаются на очень небольшие расстояния x: x @ 2eE/(wm), где e и m — соответственно заряд и масса электрона. Важно обратить внимание, что x пропорционально E и обратно пропорционально квадрату угловой частоты сигнала w. При амплитуде E=Em=100 В/см и l=10см(w=2*3*10рад/с)x=0,01 мм. При Em=10 кВ/см x=1 мм.

Наименьшая масса иона у водорода, но и она в 1840 раз больше m. В результате при тех же условиях смещение иона водорода будет равно всего лишь 10или 10 мм. Отсюда важное следствие: на СВЧ можно пренебречь движением ионов под действием СВЧ сигнала и рассматривать только движение электронов.

Основные параметры плазмы: N — концентрация заряженных частиц в единице объема; e — относительная диэлектрическая проницаемость плазмы на СВЧ, которая определяется без учета соударений электронов с ионами и нейтральными молекулами только значениями N и w по формуле

e = 1 - Ne / (wme0) = 1 - wп / w,

где wп = — плазменная круговая частота, а e0 = 0,886*10 A*c/(В*м) — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из формулы видно, что плазма является диэлектриком, у которого e<1, но могут быть и случаи, когда e становится отрицательной величиной или равняется