Поглощение СВЧ-энергии в промышленных нагревательных установках
Технологические процессы, в которых применяется СВЧ-энергетика, основываются на поглощении мощности облучающей волны. Материалы, подверженные такой обработке, являются несовершенными проводниками или несовершенными диэлектриками, имеющими разные потери мощности.
В электродинамике сверхвысоких частот широкую известность имеет решение задач о потерях при сплошном заполнении волноводных линий и резонаторов несовершенным диэлектриком.
Несовершенные диэлектрики, в составе которых присутствует вода, дают большие потери. Например, волновод, заполненный древесиной, дает затухание более чем на 2 порядка по сравнению с затуханием за счет потерь в проводящих стенках волновода. При заполнении объемного резонатора диэлектриком такого же типа добротность снижается настолько, что он практически теряет свои резонансные свойства.
Неоднородности тепловыделения при СВЧ нагревах
Высокий коэффициент затухания, возникающий при сплошном заполнении диэлектриком, приводит к значительной неоднородности тепловыделения по длине обрабатываемого изделия, что является неприемлемым для технологических процессов. Устранить этот недостаток можно за счет либо частичного заполнения рабочих объемов СВЧ-установок – прямоугольных волноводов и резонаторов, либо выбором соответствующей толщины материала, подвергаемого облучению плоской волной в свободном пространстве.
При частичном заполнении прямоугольного волновода диэлектрической пластиной, возможно ее установление на широкой стене волновода или симметрично относительно боковых стенок с перекрыванием его высоты. Расчетные значения коэффициента затухания позволяют разработать СВЧ-сушилки с широким спектром технико-экономических характеристик.
Достижение однородности поглощения мощности СВЧ облучения
При облучении несовершенного диэлектрика поглощение СВЧ-мощности определяется по формулам теории отражения и преломления плоской волны. Поток падающей мощности резко неоднороден по глубине диэлектрической пластины.
Для достижения в материале удовлетворительной однородности поглощения мощности облучения и тепловыделения применяют проводящую плоскость, прижатую к поверхности материала. Такая конструкция позволяет непоглощенному в пластине потоку мощности облучения отражаться практически полностью от проводящей плоскости и снова поглощаться пластиной.
КПД облучения может быть повышен, если падающая плоская волна поляризована в плоскости падения, а угол падения выбран так, что коэффициент отражения приблизительно равен нулю. Для установок, в которых для нагревания диэлектриков используется частично заполненный прямоугольный волновод с короткозамыкателем, отражающим пропущенную материалом мощность для ее повторного поглощения, могут быть сделаны аналогичные оценки.
КПД резонаторной камеры СВЧ печей
В резонаторных конструкциях используют частичное заполнение рабочих камер установок СВЧ-энергетики, обеспечивая приемлемое значение добротности (допустимый коэффициент затухания).
КПД резонаторной камеры существенно зависит от ориентации граничных плоскостей облучаемого диэлектрика относительно вектора электрического поля.
Отношения толщины к размерам поперечного сечения прямоугольного волновода эквивалентны объемному заполнению резонатора. Если в расчетах использовать коэффициент объемного заполнения, то можно оценить КПД резонаторов, применяемых в бытовых СВЧ-печах. Данные расчетов показывают, что КПД резонаторной камеры зависит от расположения поглощающего диэлектрика. На практике, в реальных установках СВЧ-энергетики особой зависимости не наблюдается. Экспериментальным путем было установлено, что КПД поглощения СВЧ-энергии при заполнении резонаторных камер водой достигает 95%.
КПД и эффективность бытовых установок СВЧ-энергетики
КПД и эффективность бытовых установок СВЧ-энергетики можно определить как диэлектрическими характеристиками облучаемых материалов, так и их геометрией. Разработчикам и проектировщикам установок необходимо использовать справочные данные о диэлектрических характеристиках материалов и на их основе рассчитывать геометрию обрабатываемых изделий, способы их облучения СВЧ-энергией и систему ввода-вывода изделий из рабочей камеры.
При создании установок, предназначенных для обработки воды и растворов на водной основе, а также растительных материалов, имеющих в составе воду (например, древесина), выполняется значительный объем расчетно-теоретических работ. Существенная зависимость относительных диэлектрических постоянных воды от температуры и древесины от ориентации волокон относительно электрического вектора волны должна обязательно учитываться при проектировании установок СВЧ-энергетики. Например, минимально допустимая загрузка бытовой СВЧ-печи при кипячении воды должна быть увеличена со 150-200 куб.см, рекомендованных при температуре 20°, до объема 600-800 куб.см, допустимым при t=100°C.
Настройка резонансной частоты
В установках СВЧ-энергетики резонаторного типа необходимо учитывать изменения собственной частоты рабочей камеры при нагревании обрабатываемых изделий или изменении ее объемной загрузки несовершенным диэлектриком. В зависимости от расположения сосуда с нагреваемой водой относительно вертикали камеры, соответствующей амплитудному значения напряженности электрического поля, возмущение резонансной частоты может удвоиться. При нагревании воды действительная часть ее комплексной диэлектрической проницаемости уменьшается, и как следствие, уменьшается возмущение резонансной частоты.
Наши контакты
Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании
