INSTALLATION OF MICROWAVE DIELECTRIC HEATING WITH TUNABLE FREQUENCY

Full Text

Исследования и разработки в области нагрева диэлектрических сред, материалов и изделий в сверхвысокочастотном электромагнитном поле (СВЧ диэлектрический нагрев) начались в середине пятидесятых годов XX века. От нагрева конвекцией, теплопроводностью и тепловым излучением этот способ нагрева отличает объемное тепловыделение и, как следствие, ускорение процесса термообработки и большая равномерность нагрева обрабатываемого диэлектрика по объему. СВЧ диэлектрический нагрев широко используется для термообработки пищевых продуктов (СВЧ или микроволновые печи) [1, 2], а также во многих других технологических процессах, таких как нагрев, сушка, дефростация, пастеризация, стерилизация, упрочнение, разрушение, вулканизация и иная модификация полимеров [3, 4]. Структурная схема установки СВЧ диэлектрического нагрева (У СВЧ ДН) приведена на рис. 1. Основными элементами У СВЧ ДН являются рабочая камера, где происходит технологический процесс, и источник СВЧ-энергии, традиционно работающий на одной из частот, установленных для технологических установок. Рабочие камеры подразделяются на камеры с бегущей волной (КБВ), со стоячей волной (КСВ) и камеры лучевого типа (КЛТ) [5]. Существенным недостатком термообработки диэлектриков энергией СВЧ электромагнитных колебаний является неравномерность распределения теплоты в диэлектрике в процессе нагрева. Это происходит в связи с зависимостью диэлектрических параметров (относительной диэлектрической проницаемости ε' и тангенса угла диэлектрических потерь tg δ) обрабатываемого объекта от температуры [5]. Рис. 1. Структурная схема У СВЧ ДН У нагреваемого объекта ε'(T) и tg δ(T) при проектировании У СВЧ ДН на КБВ (рис. 2а, б) профиль неоднородного волновода, обеспечивающий равномерный нагрев и согласование КБВ с СВЧ генератором, обычно рассчитывается на средние значения ε' и tg δ в рабочем диапазоне температур [6]. При изменении этих параметров в процессе нагрева происходит рассогласование рабочей камеры с СВЧ-генератором, отчего снижается энергетическая эффективность, возникает неравномерность нагрева. КБВ рассчитывают для конкретного обрабатываемого диэлектрика, что делает их неуниверсальными, но КБВ обладают наибольшим КПД и наилучшей равномерностью термообработки в сравнении с другими типами рабочих камер. а б в г Рис. 2. Рабочие камеры У СВЧ ДН: а - КБВ на прямоугольном волноводе; б - КБВ на круглом волноводе; в - КСВ на прямоугольном резонаторе; г - КЛТ с излучающим рупором КСВ представляет собой обычно прямоугольный резонатор, работающий в режиме стоячей волны. Из-за этого неравномерность нагрева в КСВ значительно больше, чем в КБВ. В определенной степени ситуацию спасает применение в КСВ металлического диссектора или диэлектрического поддона с tg δ = 0, вращающихся от отдельных электроприводов, но в КСВ можно обрабатывать диэлектрики разной формы, с разными ε' и tg δ, а потому У СВЧ ДН на КСВ получили широкое распространение (бытовые СВЧ или микроволновые печи). Разумеется, зависимости ε'(T) и tg δ(T) обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева влияют на равномерность поглощения диэлектриком энергии СВЧ электромагнитного поля, но это не меняет общей картины термообработки в таких рабочих камерах. В У СВЧ ДН на КЛТ (рис. 2г) изменение ε' и tg δ обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева приводит к изменению глубины проникновения электромагнитной волны в обрабатываемый диэлектрик: где λ - длина волны СВЧ-генератора. Изменяется и КПД по использованию СВЧ энергии: (1) где Γ = Γ(ε', tg δ, λ) - коэффициент отражения от поверхности обрабатываемого диэлектрика. Улучшить равномерность нагрева в КБВ и КЛТ, повысить КПД по использованию СВЧ-энергии в У СВЧ ДН можно, перестраивая частоту СВЧ-генератора У СВЧ ДН синхронно с изменением диэлектрических параметров обрабатываемого диэлектрика в процессе нагрева. Как правило, в У СВЧ ДН в качестве генераторов используются магнетроны. Эти электровакуумные приборы работают на фиксированной частоте. Для перестройки частоты СВЧ-генератора вместо магнетрона можно использовать широкополосные СВЧ-генераторы высокой мощности (ЛБВ-генератор, ЛОВ, полупроводниковые приборы). Рассмотрим имеющиеся здесь возможности. Для примера в качестве обрабатываемого диэлектрика выберем один из пищевых продуктов - филе трески. Зависимости ε'(T) и tg δ(T) этого продукта приведены в работе [7] и показаны на рис. 3. а б Рис. 3. Зависимости диэлектрических параметров филе трески от температуры (влагосодержание 81,2 %): а - ε'(T); б - tg δ(T) Пусть КБВ представляет собой отрезок нерегулярного прямоугольного волновода сечением на входе 4,5×9 см со слоем обрабатываемого диэлектрика на широкой стенке. Расчет такой КБВ с применением теории цепей приведен в работе [8]. КПД по использованию СВЧ-энергии такой рабочей камеры определяется соотношением (1), в котором (2) Здесь Zin(T) - входное сопротивление КБВ, Z00 - волновое сопротивление линии передачи (прямоугольного волновода), соединяющей СВЧ-генератор с КБВ, причем (3) (4) где а - величина широкой стенки волновода; b - величина узкой стенки волновода; Z0(z) - волновое сопротивление прямоугольного волновода КБВ со слоем обрабатываемого диэлектрика в сечении z, отсчитываемом от короткого замыкания КБВ; Rp(T), Xp(T) - погонные сопротивления эквивалентной схемы КБВ, рассчитываемые на среднюю температуру нагрева Tср [8]. Для полного согласования рабочей камеры с линией передачи необходимо, чтобы (5) Условия (5) выполняются при где Rpr, Xpr - значения погонных сопротивлений эквивалентной схемы КБВ при температуре, на которую рассчитывается профиль рабочей камеры; - длина волны в волноводе. При проектировании У СВЧ ДН часто характеризуют КПД по использованию СВЧ-энергии и неравномерность нагрева одним показателем - коэффициентом стоячей волны по напряжению KstU: чем больше KstU, тем меньше КПД η и тем больше неравномерность нагрева. На рис. 4 показаны зависимости KstU КБВ, работающей в одночастотном режиме и с изменяемой в процессе нагрева частотой СВЧ-генератора. Профиль прямоугольного волновода КБВ, работающей в одночастотном режиме, рассчитывается по соотношению (4) для средних в рабочем диапазоне частот значений ε' и tg δ филе трески, так что в этом случае рабочая камера в середине температурного диапазона имеет меньший KstU, чем в начале и конце технологического процесса. Рис. 4. Зависимость KstU(T) КБВ при нагреве филе трески: 1 - одночастотный режим (f = 2450 МГц); 2 - широкополосный режим (b2 = 9,2 мм) Расчет профиля волновода КБВ, работающей в широкополосном режиме, проводится для ε' и tg δ, соответствующих начальной температуре филе трески, так что наилучшее согласование КБВ с генератором наблюдается в начале технологического процесса (рис. 4). Затем для каждого следующего значения температуры обрабатываемого диэлектрика Tn определяется оптимальное значение λ генератора, при котором с учетом изменения значений Rp и Xp из-за изменения ε' и tg δ филе трески KstU минимально возможное. Согласно рис. 4, изменяя λ(T), обеспечить KstU = 1 не удается, так как длина рабочей зоны КБВ задана конструкцией рабочей камеры, а Z00 согласно соотношению (3) изменяется с изменением длины волны λ. Вместе с тем рис. 4 свидетельствует, что в широкополосном режиме параметры КБВ значительно лучше, чем в одночастотном. Говоря о широкополосном режиме работы КБВ на прямоугольном волноводе, важно отметить, что изменение длины волны генератора ограничено частотным диапазоном волновода, подводящего СВЧ-мощность к рабочей камере на волне H10: длина волны должна находиться в диапазоне a < λ < 2a, где а - размер широкой стенки волновода. Рассчитанная зависимость длины волны СВЧ-генератора от температуры обрабатываемого диэлектрика для КБВ с параметрами, показанными на рис. 4, приведена на рис. 5. Широкополосный генератор нельзя рекомендовать к применению в У СВЧ ДН на КСВ (рис. 2в), так как резонаторы таких рабочих камер рассчитываются на определенную (резонансную) частоту СВЧ-генератора. Широкополосный режим можно рекомендовать в У СВЧ ДН на КЛТ (рис. 2г). Изменяя синхронно с изменением ε'(T) и tg δ(T) длину волны СВЧ-генератора, можно, например, обеспечить постоянство глубины проникновения электромагнитной волны вглубь диэлектрика. Действительно, если плоская СВЧ электромагнитная волна падает перпендикулярно на поверхность плоского диэлектрика, то прошедшая в диэлектрик СВЧ мощность P0 поглощается обрабатываемым диэлектриком неравномерно, так как (6) где τ - время нагрева; α - коэффициент затухания СВЧ электромагнитной волны в диэлектрике, причем (7) Рис. 5. Зависимость λ(T) широкополосного режима работы КБВ при нагреве филе трески За глубину проникновения СВЧ электромагнитной волны δp примем, как обычно [6], толщину слоя обрабатываемого диэлектрика, на которой СВЧ-мощность P уменьшается в e раз (), тогда (8) Разбив слой диэлектрика δp на N тонких слоев толщиной δP/N, перепишем соотношение (6) в виде (9) где n - номер слоя; и tg δi - диэлектрические параметры i-того слоя диэлектрика. Тогда, если (10) где εi’ и tg δi должны быть определены для каждого слоя с учетом температуры T на каждом интервале термообработки τ, причем (11) здесь Ti,st - температура i-того слоя диэлектрика в начале рассматриваемого интервала нагрева; c - удельная теплоемкость диэлектрика; ρ - плотность нагреваемого диэлектрика; V = apbpδp/N; ap, bp - размеры апертуры излучающего рупора. Результат расчета зависимости λ(τ) по соотношению (10), при котором глубина проникновения в обрабатываемый диэлектрик на всей продолжительности нагрева остается постоянной, приведен на рис. 6а, а зависимости δp(τ) - на рис. 6б. а б Рис. 6. Характеристики КЛТ: а - λ(τ) при широкополосном режиме: б - δp в одночастотном и широкополосном режимах (P0 = 1000 Вт, обрабатываемый диэлектрик - филе трески) Для расчета δp при одночастотном режиме работы КЛТ соотношение (10) следует записать в виде (12) откуда определяется N при заданной длине волны СВЧ генератора λ и толщине слоя l. Тогда δp = lN. Результат расчета приведен на рис. 6б. Приведенные результаты расчетов показывают возможность улучшения параметров У СВЧ ДН применением широкополосных СВЧ-генераторов. Приведенные соотношения могут быть использованы при проектировании широкополосных У СВЧ ДН.

About the authors

Nton V Fedorov

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Postgraduate Student. 77, Politechnicheskaya st., Saratov, Russian Federation, 410054

References

Supplementary files