Возможности нагревания диэлектриков посредством высокочастотного излучения

В последние несколько десятилетий широкое применение в различных областях, таких как медицина, промышленность, торговля, получило нагревание диэлектриков посредством высокочастотного излучения. В процессе нагрева энергия, излучаемая электрическим полем, переходит в тепло благодаря наличию у материалов диэлектрических потерь. В начале 30-х годов 20 века данный процесс находил применение в предварительном нагревании изделий, подготавливаемых к закалке, и для вулканизации резины, позволяя получить результаты лучше, чем давали обычные устройства, использующие пар или горячий воздух. В последствии высокочастотный нагрев начали применять и в других областях, например, с его помощью склеиваются листы фанеры и сушится древесина в деревообрабатывающей промышленности, пряжа – в текстильной. СВЧ находит применение и в процессе непрерывной разливки металла в металлургической промышленности. Наилучшим признан метод высокочастотной сварки термопластичных материалов. Эксплуатационные расходы стационарных высокочастотных установок выше, но они более экономичны по сравнению с другими, так как их производительность гораздо выше, и чаще всего они дают более высококачественную продукцию.

Диапазоны частот СВЧ излучения

Преобразование энергии электрического поля в тепловую прямо пропорционально рабочей частоте и квадрату напряженности электрического поля. Однако, увеличение напряженности электрического поля не должно происходить произвольно, потому что после определенного значения (напряженность поля пробоя) могут возникать электрические разряды, которые оказывают вредное воздействие на качество продукции. Безопасно увеличить удельную энергию преобразования (энергию преобразования в единице объема) можно за счет увеличения рабочей частоты. В основном высокочастотное оборудование в различных областях промышленности работает на частотах до 50Мгц в определенных диапазонах: 13,56 МГц±0,05%, 27,12 МГц±0,6%, 40,68 МГц±0,05%.

Частоты выше этих значений считаются менее ограниченными с точки зрения радиопомех и могут быть использованы в промышленности и для других целей. Эти значения таковы: 461,04 МГц±0,2%, 2450±50 МГц, 433,2 МГц±0,2%, 5800±75 МГц, 22125±125 МГц.

Таким образом, чтобы повысить эффективность преобразования энергии, необходимо было разработать соответствующие ламповые генераторы, устанавливаемые в оборудование высокочастотного нагрева.

Металлокерамические лампы с коаксиальным расположением электродов, выпускаемые промышленностью, дают мощность 400 Вт при частоте 1000 МГц. Они могут использоваться в высокочастотных генераторах в медицинских и промышленных отраслях.

Новый тип лампы, описанный еще в 30-е годы, позволяет работать в диапазоне 2400 МГц. Это магнетрон, использовавшийся в радиолокации как в военное время, так и после него. Малая выходная мощность ламп не позволяла расширить область применения высокочастотного нагрева. Появление магнетронов решило это проблему. В 50-е годы развитие магнетронов позволило применять высокочастотный нагрев в совершенно новых областях: в спектроскопии с использованием высокочастотных плазменных горелок, при стерилизации пищевых продуктов, для ускорения процесса размораживания и сушки пищевых продуктов (при удалении влаги в условиях низких температур и давления нагревание СВЧ позволяет льду, образующемуся внутри продуктов, быстро испариться).  Хорошие результаты дают эксперименты, проводящиеся в лабораториях в настоящее время. В частности, испытания по дроблению камней или бетона.

Применение энергии сверхвысоких частот позволяет сократить время нагрева по сравнению с использованием инфракрасного излучения. Это дает возможность расширить сферу применения СВЧ нагрева. Сейчас данный способ используется в процессе сушки зерна, маиса, риса, табака, тканей, бумаги, древесины, фанеры. Также сушится посредством СВЧ цветная печатная продукция, керамика, сухари и бисквиты, проводится пастеризация и стерилизация молока и изделия фармацевтики, в том числе при нагреве прессованных синтетических таблеток. При этом есть предпосылки для еще большего расширения сферы использования высокочастотного нагрева – проводятся эксперименты, позволяющие выявить все преимущества данного метода.

Существующие генераторные лампы

Все электронные лампы можно разделить на два типа: с модуляцией по плотности и модуляцией по скорости. К лампам с модуляцией по плотности относятся устройства, дающие выходящий с катода электронный пучок, управляемый проницаемой для электронов сеткой. Она имеет отрицательный потенциал, который периодически становится положительным. Триоды и тетроды являются именно такими лампами. По этому же принципу работают все ламповые генераторы, установленные на высокочастотном оборудовании ниже 100 МГц.

В электронных лампах с модуляцией по скорости применяется способ усиления, который можно рассмотреть на примере четырехрезонаторного клистрона YK1000. В отличие от ламп с модуляцией по плотности катод клистрона не входит в высокочастотный контур. Электронный пучок, выходящий с катода, ускоряется высоким положительным напряжением постоянного тока и, помимо этого, группируется под действием фокусирующего электрода, имеющего отрицательный потенциал. По всей длине пути до коллектора происходит фокусировка пучка магнитным полем в аксиальном направлении. Пространство дрейфа делится на части четырьмя резонаторными щелями, окруженными вакуумноплотными керамическими цилиндрами. Входной сигнал, который необходимо усилить (например, синусоида), подается в первый резонатор.

Синусоидальное электрическое поле, действующее в первом резонансном зазоре, тормозит или ускоряет электроны в зависимости от того,  совпадает ли направление вектора электрического поля с направлением движения электронов или противоположно ему. В прилегающем пространстве дрейфа, где нет переменных электрических полей, более быстрые электроны догоняют медленные, в результате чего образуются небольшие сгустки электронов. Таким образом, пучок электронов, модулированных по скорости, преобразуется в пучок, модулированный по плотности. В данном упрощенном рассмотрении действием второго и третьего резонаторов можно пренебречь и проанализировать прохождение сгустков электронов через резонансный зазор последнего резонатора.

Сфокусированные электроны индуцируют в последнем резонаторе некоторый ток, генерирующий электрическое поле, которое тормозит сгусток электронов. При этом происходит преобразование большой доли кинетической энергии пучка в энергию электромагнитной волны. Энергия высокой частоты, аккумулирующаяся в резонаторе, выводится из него с помощью индуктивной петли связи. Синусоидальный входной сигнал проходя через лампу, усиливается приблизительно в 1000 раз. Скорость не всех электронов уменьшается до нуля, некоторые при попадании на коллектор преобразуют свою кинетическую энергию в тепло, которое рассеивается в стенках лампы.

Лампы с модуляцией по плотности

В промышленных высокочастотных генераторах, использующих емкостный и индуктивный нагрев, используют мощные триоды, включающиеся по схеме автогенератора с самовозбуждением. Поскольку внешние условия работы устройства изменяются в достаточно широком диапазоне и чаще всего не могут контролироваться, возникла необходимость разработать специальные триоды, у которых выходная мощность меняется незначительно при сильных колебаниях нагрузки, рассчитанные на неблагоприятные условия, которые могут встречаться в промышленности. Такой тип ламп может быть использован на частотах до 100 МГц.

На частоте 30 МГц лампы этого типа на выходе отдают мощность в несколько сотен киловатт. Чем выше частота, тем ниже мощность ламп. При работе на частоте 1000 МГц  лампы используются только для дальней связи, хоть они и дают несколько кВт мощности. Для получения достаточно большой для промышленного применения мощности на более высоких частотных диапазонах, в качестве усилителя и генератора используют лампы с модуляцией по скорости.

Лампы с модуляцией по скорости

К данному типу ламп относятся клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны. Для применения в промышленности клистрон является неэкономичным, а источник питания для него – слишком сложные и дорогие. По тем же причинам для промышленности не годятся и лампы бегущей волны, лампы обратной волны и подобные им. Магнетрон непрерывного генерирования выигрывает по сравнению с остальными приборами СВЧ за счет простоты обращения с ним и невысокой стоимости. Средняя продолжительность срока службы магнетронов порядка 3000 ч при большом числе включений-выключений. Срок службы определяется типом катода, поэтому он отличается у разных типов магнетронов. Электрические и механические данные магнетронов также имеют более высокие показатели, что ведет к более высокому КПД, большой устойчивости работы при рассогласованной нагрузке, а также простоте его обслуживания. Также существует несколько способов питания магнетрона непрерывного генерирования. Можно использовать как подключение непосредственно к сети переменного тока, так и схему питания от выпрямленного трехфазного напряжения (без фильтрации) и некоторые другие. Это позволяет сделать конструкцию источника питания, соответствующую требованиям в конкретных условиях применения.

Наши контакты

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