Свойства диэлектрических материалов, влияющих на эффективность СВЧ нагрева

Когда электромагнитное СВЧ поле взаимодействует с материалом, могут иметь место различные реакции. В проводнике электроны свободно перемещаются в материале при воздействии на них электрического поля, в результате возникает электрический ток.

За счет электрического сопротивления поток электронов нагревает материал в силу резистивного нагрева. Тем не менее, микроволновое излучение будет в значительной степени отражаться от металлических проводников, и, следовательно, такие проводники эффективно не нагреваются СВЧ излучением.

Условия оптимального расхода энергии при СВЧ нагреве

В изоляторах электроны не текут свободно, но электронная переориентация вызвана движением диполей, что вызывает нагрев материала. Общий опыт использования микроволн для разогрева пищи прежде всего основан на дипольном поведении молекулы воды в пище при взаимодействии диполя с СВЧ микроволнами.

Поскольку микроволны генерируют быстро меняющиеся электрические поля, эти диполи быстро меняют свою ориентацию в ответ на меняющиеся электромагнитные поля. Если изменение поля происходит около собственной частоты, с которой происходит переориентация диполей, что может произойти, максимум потребляемой энергии идет на нагрев, и происходит оптимальный расход энергии. В терминологии микроволновой обработки, когда это происходит, говорят, что материал хорошо «связан».

Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь

Наибольшее значение в микроволновой обработке диэлектрика имеют диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь tan δ. Показатель диэлектрической проницаемости является мерой способности диэлектрика поглощать и хранить электрическую потенциальную энергию. Диэлектрическая проницаемость характеризует проникновение СВЧ микроволн в материал, а коэффициент потерь конкретного материала характеризует способность хранить энергию.

Не менее важной характеристикой в микроволновой обработке является tan δ, указывающий на способность материала к преобразованию поглощенной энергии в тепло. Для оптимального сцепления требуется сбалансированное сочетание показателей, чтобы обеспечить адекватное проникновение, и невысокие потери.

Точки локального плавления при СВЧ нагреве

Хитрость в промышленной микроволновой обработке СВЧ энергией заключается в том, чтобы найти материал, который хорошо поляризуется, и диполи которого могут переориентироваться быстро в ответ на изменение напряженности электрического поля. К счастью, многие материалы удовлетворяют этим требованиям и поэтому являются подходящими материалами для микроволновой СВЧ обработки.

Однако, если эти материалы обладают плохой теплопроводностью, то тепло медленно рассеивается по всему объему материала. Эта сложность усугубляется, потому что диэлектрические потери часто резко возрастают по мере роста температуры.

Таким образом, горячая область становится еще более горячей, что иногда приводит к локальному плавлению. Эти «горячие точки» представляют собой большую трудность и приводят к использованию гибридных систем, сочетающих микроволновое нагревание с использованием других источников тепла для уменьшения неравномерного нагрева.

Расчет энергозатрат и эффективности СВЧ нагрева

Существует другое соображение, которое часто упускается из виду при микроволновой обработке материалов СВЧ излучением. Микроволны генерируются устройствами, требующими электрической энергии. Электрическая энергия генерируется в основном из ископаемого топлива. Эффективное преобразование энергии топлива в электрическую энергию составляет менее 40 процентов. К тому же, эффективность СВЧ-генераторов (магнетронов и т. д.) обычно не превышает 85 процентов. Также микроволны не идеально связаны с материалом (максимум 90-процентное связывание), поэтому общая энергоэффективность, вероятно, составляет менее 30 процентов от энергосодержания ископаемого топлива, используемое в производстве электроэнергии. Это означает, что существуют реальные ограничения для экономики массового отопления с помощью СВЧ.

Прямой нагрев с использованием ископаемого топлива делает использование энергии намного более эффективным, а СВЧ технологии микроволн могут быть только экономически конкурентоспособными, когда требуется электрический нагрев или способность избирательного нагрева материала, или какой-то другой фактор, компенсирующий неэффективность электрического отопления. Например, удаление летучих веществ из почвы, где нет необходимости нагревать почву, как это требуется, когда отопление выполняется классическими средствами.

Критерии выбора при принятии решения о применении СВЧ технологий

Для успешного использования микроволн Заказчик должен хорошо понимать сильные стороны и ограничения микроволновых технологий. Среди сильных сторон — проникающее излучение, контролируемые распределения электрического поля, быстрый нагрев, селективный нагрев и реакции самоограничения.

Обработчик материалов должен понимать и согласовать специальные возможности микроволновой СВЧ обработки с материалом и его свойствами, необходимыми для разработки соответствующего нагревательного процесса. В некоторых случаях существует неполное понимание, требующее исследований для улучшения объема знаний по использованию микроволн для обработки материалов.

Практические исследования СВЧ технологий

Результаты исследований в области СВЧ технологий предназначены для облегчения работы тех, кто заинтересован в использовании микроволн, чтобы решить инженерную проблему или улучшить текущий технологический процесс. Примеры успешных внедрений изучаются, чтобы проиллюстрировать характеристики обрабатываемых материалов и технологических процессов, которые поддаются микроволновой обработке.

Описание используемого оборудования помогает найти доступные альтернативы и характеристики, необходимые для применения СВЧ энергетики микроволн к конкретным материалам.

Важно не упустить экономические соображения, и, где это возможно, анализ капитальных затрат для определения экономической эффективности решений использования микроволн. Теоретическая подготовка обработчика материалов и разработчика оборудования используются для решения фундаментальных вопросов и преимуществ применения СВЧ микроволн в обработке материалов.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании