СВЧ-установка конвейерного типа для термомеханической обработки древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Пояснительная записка состоит из листов, содержит 20 рисунков, 14 таблиц, при разработке использовались 32 источника. Созданы 6 чертежей формата А1.

Ключевые слова :

Камера нагрева, СВЧ источник, согласованная нагрузка, обрабатываемый диэлектрик, влагосодержание.

Цель работы: рассчитать и спроектировать СВЧ установку конвейерного типа для термомеханической обработки древесины.

Разработана установка СВЧ установка, позволяющая обрабатывать древесину путем СВЧ нагрева и последующего снятия поверхностного слоя. Тип взаимодействия продольный. Для конструирования использованы 2 сборных волновода прямоугольного сечения. Тип волны в волноводе- квази Н10. Диэлектрик расположен в волноводе вдоль середины широкой стенки, параллельно узкой, т.е. в максимуме электрического поля. Для окончательной обработки диэлектрика применен деревообрабатывающий станок.

Проведен расчет СВЧ сушилки конвейерного типа, с помощью которого установлена связь основных параметров определяющих технологический процесс.

На основании этого сконструирована установка термомеханической обработки древесины, удовлетворяющая заданию дипломного проектирования.



Essay

The pages of explanatory notes, 20 drawiings, 14 tables, 5 pages of A1 size working drawings, 32 sources.

Drying camera, Ultra High Frequency source, coordination loading, treated dielectric, water contain.

The aim of the work is to calculate and to project the Ultra High Frequency plant of a conveyor type for termomechanics processing dielectric sheet materials.

The Ultra High Frequency plant for termomechanics processing dielectric sheet materials like lead, veneer, cardboard and other dielectric materials has been worked out. There is a running wave in the Ultra High Frequency drying camera. The type of interaction is diametrical. The wave-guide of a right-angled section was used for this construction. The type of waves in the wave-guide in the middle of a wide wall parallely to the narrow one that is in the maximum of the electric field.

The calculation of the Ultra High Frequency plant for termomechanics processing dielectric of the conveyor type has been made with the help of which the connection of the main parametres defining the technological process has been determined.

On the basic of this calculation the Ultra High Frequency plant for termomechanics processing dielectric sheet materials satisfying the task of the diploma projecting has been constructed.



Введение

Технологическая обработка материалов почти всегда включает в себя такую операцию, как нагрев. Одной из самых распространенных видов нагрева является искусственная сушка.

При традиционном способе подвода тепла- конвективном, радиационном, кондуктивном- процесс сушки лимитируется скоростью переноса влаги к поверхностным слоям материала. В комбинации с конвективным или радиационным методами подвода тепла для ускорения внутреннего массопереноса может быть использована энергия сверхвысокочастотных электрических полей, возбуждаемых в термообрабатываемой среде.

Однако долгое время этот способ не получал промышленного применения из-за высокой стоимости СВЧ оборудования.

Резкое снижение стоимости СВЧ энергии за счет увеличения КПД генераторов СВЧ, упрoщения их конструкции и повышения их долговечности позволило вести систематические работы по изучению влияния энергии электромагнитного поля частоты на различные материалы и разработать ряд работоспособных устройств.

Но все же применение СВЧ сушки, несмотря на увеличение скорости сушки, требует больших энергозатрат. Поэтому был предложен новый термомеханический способ обработки древесины. СВЧ энергия применяется в нем лишь для нагрева диэлектрика и выталкивания воды к приповерхностным слоям. Затем диэлектрик подвергается механической обработке- снятию влажного поверхностного слоя. Этот способ позволяет увеличить производительность и при этом снизить энергозатраты.

Настоящая работа посвящается разработке СВЧ установке для интенсификации процесса сушки изделий из древесины.



Обзор литературы

Сушка влажных материалов является технологическим процессом, задача которого состоит в получении материалов с наилучшими технологическими показателями при минимальной затрате энергии, т.е. в осуществлении оптимального режима.

Традиционным способом сушки пиломатериалов является атмосферная и конвективно-тепловая в камерах. Основой сушки в них является горячий воздух: пар или поточные газы. Простота устройства камеры оборудования, несложность получения теплоносителя способствовали развитию камерной сушки. Несомненно, что благодаря улучшению конструкции и аэродинамики камер, правильному выбору режимов можно улучшить технико-экономические показатели этого способа сушки. Однако теория конвективной сушки и достигнутые результаты говорят о том, что этот способ сушки по своим возможностям близок к пределу.

Большой интерес вызывают другие способы сушки, которые позволяют интенсифицировать процесс и улучшить качество материалов, в том числе сушка токами высокой частоты. Первые опыты в этой области относятся к 1930-1934 г.

СВЧ-нагрев позволяет создавать новые технологические методы и процессы [1,2,3]. По мере того как расходы, связанные с применением СВЧ-нагрева, становятся доступными все более широкому кругу потребителей, данный метод обработки получает все большее распространение. Пределы целесообразного применения СВЧ-нагрева обусловлены действием ряда экономических показателей, среди которых можно показать: 1) расходы, отнесенные к 1 кг обработанной продукции; 2) наличие особых преимуществ, таких как мгновенный управляемый нагрев или дифференциальный нагрев; 3) экономия площадей, отводимых для хранения или оборудования, вытекающая из значительного сокращения цикла термообработки; 4) уменьшение стоимости сырьевых материалов при том же качестве продукции; 5) уменьшение усушки и потерь в процессе обработки и 6) более высокое качество получаемой продукции.

Неметаллические материалы полупрозрачны для СВЧ-энергии. Поля СВЧ проникают в такие материалы на значительную глубину, которая зависит от их свойств. СВЧ -это очень удобный источник тепла, который в ряде применений обладает несомненными преимуществами перед другими источниками. Такой источник не вносит каких-либо загрязнений при нагреве, отличается гибкостью в применениях, практически безинерционен в управлении.

СВЧ-нагрев является чистым методом нагрева, поскольку при его использовании отсутствуют продукты сгорания и не применяется конвекционный нагрев. Кроме того, легкость, с которой СВЧ-энергия преобразуется в тепло, позволяет получить очень высокие скорости нагрева; при этом в материале не возникает разрушающих электрических нагрузок. Способность СВЧ-энергии преобразовываться в тепло в одних материалах лучше, чем в других, позволяет конструировать рабочие контейнеры, которые не загрязняют обрабатываемое изделие и не вступают с ним в реакцию. Поскольку интенсивность нагрева зависит от свойств нагреваемого материала, можно создать системы с самым необычным распределением тепла.

Настоящая дипломная работа посвящается разработке и совершенствованию СВЧ нагревательной камеры для интенсификации процесса нагрева изделий из древесины. Разработка таких непрерывных процессов как нагрев и сушка изделий деревообрабатывающей промышленности, представляет большой интерес для производства. Таким образом поставленную задачу следует считать актуальной. В рамках дипломного проекта необходимо решить следующее:

-выбрать оптимальную линию передачи для конструирования СВЧ нагревательной камеры;

-выбрать метод расчета величины постоянной затухания в данной линии передачи и определить зависимость постоянной затухания от влажности диэлектрика;

-рассчитать длину линии передачи, на которой обеспечивается технологический процесс;

-определить оптимальную величину производительности процесса, при заданной мощности генератора;

-сконструировать СВЧ установку.

Наиболее часто в технике СВЧ встречается коаксиальная линия, полосковая линия и прямоугольный волновод.

Очевидно. что геометрия поперечного сечения линии передачи должна обеспечивать удобство расположения и транспортировки обрабатываемого диэлектрика для обеспечения требуемого технологического режима. Поскольку в работе рассматриваются вопросы оптимизации устройств СВЧ термообработки диэлектрических материалов, то очевидно, что коаксиальная линия для обеспечения технологического процесса не подходит. В работе [21] приведены расчеты, на основании которых можно сделать вывод, что оптимальной линией передачи для конструирования СВЧ установки для обработки диэлектриков является прямоугольный волновод.

Из литературы известно два метода расчета величины постоянной затухания: расчет постоянной затухания в прямоугольном волноводе, частично заполненном поглощающим диэлектриком [3,17,18,19,20]; расчет постоянной затухания в прямоугольном волноводе с тонким влажным диэлектриком в представлении его слоистой системой [2,22]. Второй вариант расчета более удобен и прост. В этом случае для расчета величины постоянной затухания необходимо знать диэлектрическую проницаемость El и тангенс угла диэлектрических потерь tg(s),--а так же зависимость El и tg(s) от влажности обрабатываемого диэлектрика w. Зависимость El и tg(s) воды от температуры и частоты хорошо исследована в работе [22]. Если известны влажность обрабатываемого диэлектрика на входе и выходе сушилки, допустимая температура его нагрева и частота СВЧ генератора, то по соотношениям работы [22] можно рассчитать зависимость a в волноводе от влажности при t=const.

Наиболее трудоемкой частью в разработке СВЧ установки является разработка камеры сушки. В подавляющем большинстве работ, посвященным таким системам отсутствуют какие-либо обоснованные методы расчета. Из доступной литературы известны лишь два метода инженерного расчета СВЧ установок прямоточного и противоточного типов без учета конвективного теплообмена диэлектрика со средой. Однако в этой работе [2] не раскрыто значение СВЧ мощности, требуемой для обеспечения технологического процесса сушки, определение которой требует, очевидно, проведения самостоятельного теоретического исследования или эксперимента, что естественно резко снижает ценность расчетного метода.

Расчет СВЧ установки с учетом конвективного теплообмена приведен в работе [15,16], где предложенный процесс разбивается на два этапа:

-нагрев обрабатываемого диэлектрика до температуры кипения;

-удаление слоя древесины с жидкостью толщиной 2мм с поверхности обрабатываемого диэлектрика при температуре кипения.

Однако не всегда процесс СВЧ нагрева можно вести при постоянной температуре равной температуре кипения жидкости. Для диэлектриков не всегда возможно и предложенное в работе [15] экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи по характеристике нагрева или остывания.

В целом ряде технологических процессов, таких как сушка шпона, паркетной доски и т.п. максимально допустимая температура не превышает 1000С и поэтому можно пренебречь величиной конвективной составляющей в тепломассообмене.

При заданной мощности СВЧ генератора и скорости транспортировки обрабатываемого диэлектрика будем называть оптимальной конструкцию СВЧ установки, имеющей наименьшую длину в направлении движения диэлектрика, на которой обеспечивается заданный технологический режим. Оптимальной линией передачи для конструирования СВЧ установок для сушки изделий из древесины является прямоугольный волновод.



1. Основная часть

1.1 Классические методы сушки

По способу подвода тепла различают следующие традиционные виды сушки-конвективная, радиационная, кондуктивная и комбинированные, например, радиационно-конвективная и др. Типичные характеристики этих видов сушки для “мягких” ее режимов (небольшие температуры и скорости движения воздуха при достаточно большой его влажности) показаны на рис.

На участке 1-2 влагосодержание материала убывает по линейному закону. Этот период называется первым или периодом постоянной скорости сушки. Температура поверхности тела в это время постоянна. Для большинства материалов, таких как шпон, глина, кожа и др. скорость сушки в первом периоде равна скорости испарения воды со свободной поверхности при одинаковых режимах. Начиная с точки 2, скорость сушки уменьшается до нуля при достижении материалом равновесной влажности. Второй период (участок 2-3) является периодом падающей скорости сушки. В течении этого периода температура материала возрастает, а изменение скорости сушки определяется формой связи влаги с материалом и механизмом переноса влаги и тепла внутри материала.

Интенсивность конвективной сушки определяется соотношением, представляющим балансное уравнение тепла:

hk(tc -tt)=rjn+Crnvdt (1)

где jn -интенсивность сушки с поверхности материала;

tc -температура окружающей среды;

tt -температура поверхности материала;

r -удельная теплота парообразования;

C -теплоемкость материала;

n---скорость транспортировки материала;

v -погонная влажность материала;

dt -приращение температуры материала в единицу времени;

hk -коэффициент теплообмена, зависящей от гидродинамики потока газа, физических свойств нагретого газа, а для второго периода и от влагосодержания тела.

По соотношению (1) для увеличения интенсивности сушки jn, необходимо увеличить теплообмен тела с окружающей средой. Это можно делать в первую очередь за счет увеличения коэффициента теплообмена. Известно, что с увеличением скорости движения газа коэффициент теплообмена увеличивается. Однако, большие скорости движения газа требуют и больших расходов электроэнергии. Кроме того, для некоторых материалов в конце процесса сушки даже незначительное повышение скорости движения газа не дает необходимого увеличения интенсивности сушки.

Второй путь интенсификации теплообмена -увеличения температуры газа tc. Но начиная со второго периода сушки, увеличивается температура поверхности материала и одновременно уменьшается интенсивность теплообмена за счет уменьшения разности температур (tc -tt). При этом внутри материала возникает значительный перепад температур, который препятствует движению влаги к поверхности тела, что в свою очередь приводит к быстрому ее обезвоживанию, перегреву и ухудшению качества высушиваемого материала. Если учесть, что материалы, подлежащие сушке всегда имеют некоторую неравномерность влажности по поверхности и по объему, то станет ясно, что неравномерность в процессе сушки традиционным способом еще более увеличивается, поскольку при одинаковом подводе тепла к различным элементам объема, находящимся у поверхности материала, нагреваются быстрее те, у которых масса меньше, т.е. более сухие. На тех участках, где выше температура, интенсивнее идет процесс испарения. Дальнейший рост температуры высохших участков часто приводит к порче материала. Попытка выбрать в инфракрасном участке диапазона достаточно широкий интервал в спектре поглощения воды, где бы интенсивность поглощения была бы значительной по сравнению с поглощением некоторых абсолютно сухих обрабатываемых материалов не привела к положительным результатам. Поэтому при применении инфракрасного излучения не может быть обеспечено, как правило, самовыравнивание по влажности процесса.

Таким образом, рассмотрение путей интенсификации технологического процесса сушки в рамках традиционных способов показали невозможность значительного увеличения скорости сушки.

1.2 Нагрев и сушка в электромагнитном поле СВЧ

Как показано в ряде исследований [ ] для дальнейшей интенсификации сушки перспективно применение СВЧ энергии.

Известно, что диэлектрики характеризуются абсолютной комплексной диалектической проницаемостью Еа , которая входит в материальное уравнение среды.

D=EaE ,

устанавливающее зависимость между вектором напряженности электрического поля E и вектором электрического смещения в среде D. Комплексная диалектическая проницаемость среды связана с ее удельной проводимостью s--соотношением:

E= El-j Ell= El(1-j(s/2pfEl)) , (1)

где,

E=Еа/Ео -комплексная относительная диэлектрическая проницаемость среды;

El , Ell -действительная и мнимая составляющие;

Ео -абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

2pf -круговая частота приложенных колебаний;

Ell/Еl=tg(s)=--s/wEoEl

Здесь:

tg(s) -тангенс угла диэлектрических потерь;

s -удельная проводимость Среды.

Для диэлектриков характерно явление поляризаци, когда содержащиеся в нем заряженные частицы смещаются под воздействием приложенного поля. В зависимости от того, какие частицы участвуют в процессе, различаются следующие виды поляризации: электронная, атомная, ионная, дипольная и структурная. Каждому виду поляризации соответствует резонансное поглощение энергии электромагнитного поля в определенном диапазоне частот. Некоторые диэлектрики характеризуются только каким-либо одним видом поляризации. Диэлектрики с электронной и атомной поляризацией в диапазоне радиочастот близки к идеальным диэлектрикам, у которых Еll=0 и Е=Еl. Диэлектрики с упругой дипольной и ионной поляризацией имеют максимум поглощения энергии в диапазоне метровых и более коротких длин волн, а со структурной поляризацией в диапазоне метровых и более длинных волн. Для данных видов колебаний характерен релаксационный тип поглощения энергии, безинерционность которого определяется временем релаксации ti .

В этом случае в диапазоне радиочастот пренебрегать мнимой составляющей в формуле (1) нельзя. В работе [4] приведены удобные для анализа формулы составляющих относительной диалектической проницаемости Е.



Еl=Eo+е(--Ei/1+(2ptif)2), i=1..n (2)

Ell=s/wEo+е(--Eiwti/(1+(2fpti)2)), i=1..n (3)

Здесь

i -номер учитываемой поляризации (дипольной , инной и т.п.);

Ei-коэффициент, характеризующий релаксационные процессы для поляризации данного вида.

Из (2) видно, что Еl может монотонно убывать с ростом частоты, причем наиболее резкий спад наблюдается при частотах wi=1/ti. Из (3) следует. что поглощение энергии в диэлектрике, характеризуемом Ell, зависит от проводимости материала и от релаксационных потерь. Величина--wi обратная времени релаксации, соответствует максимальному поглощению. Частотная характеристика имеет максимум при частотах w=wi.

Рпот.=2pfE2EoEltg(s) (4)

Заметим, что Рпот увеличивается пропорционально частоте и квадрату напряженности электрического поля. Увеличение напряженности электрического поля ограниченно конечной электрической прочностью обычно равной Едоп.=0.5Епр., поэтому дальнейшее увеличение Рпот можно осуществить за счет увеличения частоты.

Глубина проникновения электромагнитной волны в диэлектрике, на которой она затухает в e раз равна.

c=l/2ptg(s)ЦEl , (5)

где

l -длина волны в свободном пространстве.

Таким образом, для различных диэлектриков и их геометрических размеров необходимо выбрать частоту СВЧ генератора из числа разрозненных, которая обеспечивает проникновение СВЧ поля по всему объему.

Поскольку электромагнитное поле проникает внутрь диэлектрика, то СВЧ нагрев может быть отнесен к нагреву с внутренним источником тепла. Особенностью СВЧ нагрева изотропных диэлектриков является то, что он позволяет получить по сравнению с традиционным способами лучшую равномерность нагрева на большую глубину, а при некоторых размерах диэлектрика и по всему объему. Кроме того. при СВЧ нагреве, например, когда, имеет место тепло - и массообмен с поверхности тела, реально получить градиент температуры, направленный внутрь материала от его поверхности. Тогда при мягком режиме сушки ( t<100oC) в отличие от сушки традиционным способом градиент температуры и давления направлены в одну сторону к центру обрабатываемого материала, что ускоряет перемешение массы испаряемой жидкости с поверхности диэлектрика и значительно сокращает продолжительность процесса.

При жестком высокотемпературном режиме сушки (t>100oC) испарение жидкости происходит во всем объеме тела, причем, в центре тела больше, чем на поверхности. В следствие этого возникает градиент общего давления, который является основной движущей силой по переносу массы жидкости к поверхности диэлектрика .

На рис. 3 и 4 дано сравнение продолжительности традиционной сушки (конвективной) с сушкой в поле СВЧ и комбинированной сушкой, когда СВЧ генератор включается в начале второго периода. Применение СВЧ энергии позволяет значительно сократить время сушки. Причем, на рис. 3 видно. что скорость СВЧ нагрева в течение всего процесса остается практически постоянной. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что в течение процесса с которым с некоторым приближением можно считать скорость сушки в СВЧ поле равной скорости испарения воды со свободной поверхности при одинаковых режимах.

Изменение влагосодержания на поверхности влажного материала в процессе традиционной сушки и СВЧ сушки.

СВЧ сушка традиционная сушка

%

801

60 1

40

2

20 3

t/tсуш.

0,2 0,4 0,6

Рис 1. Изменение влагосодержания на поверхности влажного материала в процессе традиционной сушки и комбинированной сушки.

момент включения СВЧ сушки

вместо традиционной

традиционная сушка

%

80

60

40

20

t/tсуш

0.25 0.5 0.75

Продолжительность сушки

двумя методами

Продолжительность традиционной сушки

Рис 2.



Из изложенного выше следует, что в отличие от традиционных методов сушки, СВЧ сушка имеет следующие преимущества:

а) поскольку обычно чем выше влажность обрабатываемого объекта, тем больше произведение Eltg(s), то при неравномерности начальной влажности по поверхности и объему в соответствии (4) сильнее нагреваются те участки, где влажность больше. Это обстоятельство обеспечивает самовыравнивание по влажности процесса и значительно уменьшается опасность локальных перегревов,

б) можно осуществить нагрев по всей толщине обрабатываемого диэлектрика, что уменьшает деформацию объекта, увеличивает скорость диффузии жидкости поверхности и следовательно, ускоряет процесс сушки,

в) отсутствие традиционного теплоносителя при передаче тепла обеспечивает стерильность процесса и позволяет повысить КПД устройства СВЧ сушки,

г) при СВЧ нагреве достаточно просто осуществить управление уровнем сообщаемой объекту энергии.

1.2.1 Основные сведения о сверхвысокочастотных нагревательных устройствах

СВЧ нагрев успешно применяется в таких отраслях промышленности как деревообрабатывающая, пищевая, полиграфическая, химическая, кинематографическая и др. В настоящее время разработаны различные варианты СВЧ нагревательных устройств, поэтому рассмотрим лишь конструкции наиболее интересных СВЧ установок применяемых для термообработки древесины.

Например, при сушке фанеры на СВЧ установке мощностью 20 кВт и частоте 915 МГц уменьшается брак из-за смывания клеевого слоя, вызываемого действием струи воздуха при традиционной сушке конвективным способом [2,8].

В ряде случаев экономическая эффективность СВЧ установок определяется во многом экономией энергии. Так в работе [9] описана конвейерная установка волноводного типа для экспериментального исследования процесса сушки различных пород древесины при мощности 1-25 кВт, частоте генератора 915 Мгц и скорости транспортировки 0,1-2,5 м/мин. Сравнение экспериментальных данных с типичным ходом процесса в традиционной сушильной печи для красного дерева показывает, что количество энергии, требуемое для испарения 1 кг влаги уменьшается на 1/3. Дефекты разрушения уменьшаются и наблюдаются лишь при слишком большом давлении пара внутри породы в отличие от обычной причины- усадочного напряжения. При сушке леса с помощью СВЧ нагрева не наблюдались случаи закалочных эффектов.

Что касается конструкций установок для нагрева диэлектриков в электромагнитном поле СВЧ, то в общем случае блок-схему установки можно представить в виде, приведенном на рис. 3.

Основным элементом установок СВЧ нагрева является камера сушки, где осуществляется нагрев обрабатываемого диэлектрика при его взаимодействии с полем электромагнитной волны, т.е. происходит необходимый технологический процесс. К камере сушки с помощью линии передачи подключается СВЧ генератор. Если камера сушки конвейерного типа, то она снабжена кинематическим трактом для транспортировки через нее диэлектрика.

Блок-схема установки для термомеханической обработки диэлектриков в электромагнитном поле СВЧ.



.

1 2 3 7

4 5 6

1 2 3

Рис. 3. Блок-схема установки.

Блок питания и управления генератором СВЧ;

Генератор СВЧ;

Разветвительный волноводный тракт;

Кинематический тракт;

СВЧ камера;

Деревообрабатывающий станок (рейсмусовый);

Вытяжной вентилятор.

В общем случае установка должна быть снабжена системой контроля за ходом технологического процесса, сигнал с которого поступает на блок питания и управления СВЧ генератора. В соответствии с величиной этого сигнала блок питания и управления меняет мощность СВЧ генератора. В зависимости от условий термообработки электромагнитная энергия может поглотиться в камере СВЧ не полностью.

Все устройства СВЧ нагрева для обработки диэлектриков можно подразделить на устройства с поперечным и продольным взаимодействием поля СВЧ с обрабатываемым диэлектриком [2]. В первом случае часто для увеличения длины пространства взаимодействия волновод изгибают в виде “меандра”, как показано на рис.5. Генератор может быть подключен к камере сушки со стороны входа или выхода конвейера. В случае совпадения движения обрабатываемого диэлектрика с направлением распространения бегущей волны, устройство называется устройством прямоточного типа, а в случае встречного их движения- устройством противоточного типа.

Поперечное взаимодействие диэлектрика с бегущей волной.

A

B

Рген

V

Рис. 4

Схема устройства СВЧ нагрева типа “меандр” непрерывного действия

v 1 2 k L n

b

Х

Pвх Рвх

Рис. 5

Схема устройства СВЧ нагрева с продольным непрерывным взаимодействием диэлектрика с бегущей волной: а- прямоточного типа; б- противоточного типа.



v

а) Рген.

v

б)

Рген.

Рис. 6

Для удаления паров и интенсификации процесса нагрева камера СВЧ продувается потоком воздуха. Обычно воздух имеет повышенную температуру для нагрева линии передачи и ее элементов с целью предотвращения конденсации паров испарившейся жидкости на их поверхности [3,11] или обрабатываемый диэлектрик транспортируется в пространстве, ограниченном от внутренней полости волновода вставками из материала с малыми диалектическими потерями [13], которые в рабочем режиме нагреваются до температуры, превышающей температуру конденсации паров.

Наиболее просто проблема равномерности нагрева широких диэлектриков решается в [10], где к двум параллельным волноводам, расположенным рядом, генератор СВЧ соединен с одним концом одного из волноводов и с противоположным концом другого. При этом СВЧ энергия направляется через материал в противоположных направлениях, обеспечивая равномерный нагрев.

При конструировании СВЧ нагревательных приборов для конвейерной термообработки древесины чаще всего используется прямоугольный волновод. Можно указать некоторые общие недостатки камер сушки, выполненных на прямоугольных волноводах:

а) для заправки диэлектрических лент в камеру сушки ее обрыва в процессе сушки, требуется остановка технологического процесса, отключение и соединение СВЧ генератора, что обычно является недопустимым в технологии обработки большинства диэлектрических материалов;

б) применение конструкции типа “меандр” для термообработки диэлектрических лент, ширина которых несколько больше узкой стенки волновода, что исключает возможность продольной транспортировки, нецелесообразно. т.к. длина волновода, которую занимает диэлектрик, меньше длины волновода. Это обстоятельство не позволяет получить небольшие габариты, малую металлоемкость, а наличие большого количества поворотов вызывает отражение части энергии, что значительно снижает КПД;

в) необходим нагрев элементов камеры сушки до температуры, превышающей температуру конденсации паров, выделяющихся при СВЧ сушке. Нагрев производится либо за счет внешнего источника энергии, либо за счет энергии СВЧ генератора, т.е. требуется дополнительные затраты энергии.

1.2.2 Методы расчета СВЧ устройств для нагрева

Наиболее трудоемкой частью в разработке СВЧ установки является разработка пространства взаимодействия. К сожалению, в подавляющем большинстве работ, посвященных таким системам отсутствуют какие-либо обоснованные методы расчета.

Из доступной литературы известно лишь два метода инженерного расчета СВЧ установок. Так в работе [2] предложены соотношения для расчета СВЧ сушилок прямоточного и противоточного типов без учета конвективного теплообмена диэлектрика со средой. Однако в работе [2] не раскрыто значение СВЧ мощности, требуемое для обеспечения процесса сушки Ртр, определение которой требует, очевидно, проведения самостоятельного теоретического исследования или эксперимента, что естественно резко снижает ценность расчетного метода. Соотношения работы [2] получены лишь для линейной аппроксимации зависимости постоянной затухания СВЧ волны от влажности обрабатываемого диэлектрика

Расчет СВЧ камеры с учетом конвективного теплообмена приведен в работе [15], [16], где предложенный процесс сушки разбивается на два этапа:

-нагрев обрабатываемого диэлектрика до кипения;

-снятие слоя толщиной 2мм с поверхности древесины при температуре кипения.

На каждом из этих этапов расчет камеры рассматривается как самостоятельная задача, причем постоянная затухания предполагается линейной функцией температуры и влажности. Предложенные в этих работах соотношения позволяют при заданных величинах мощности генератора, постоянной затухания на входе и выходе из сушилки и коэффициента конвекции определить основные параметры, определяющие конструкцию СВЧ установки- ее длину, скорость сушки и распределение поглощенной мощности. Приведенные в работе [15] результаты экспериментальной проверки расчета, показали хорошее ее согласие с экспериментом.

Однако не всегда процесс нагрева можно вести при постоянной температуре равной температуре кипения жидкости. Часто, по технологическим причинам сушка ведется при температуре ниже температуры кипения испаряемой жидкости, как например, при сушке древесины.

Для диэлектриков не всегда возможно и предложенное в работе [15] экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи по характеристике нагрева или остывания, т.к. процесс в этом случае происходит в очень короткий промежуток времени и определение температуры в начале и конце короткого временного интервала весьма затруднительно.

При расчете СВЧ нагревательных устройств всегда необходимо знать величину постоянной затухания в линии передачи с обрабатываемым диэлектриком.

Задачи о распространении простейших типов волн в волноводе с диэлектриком рассматривались многими авторами. Наибольшую трудность в решении задачи вносит учет потерь энергии электромагнитного поля рассматриваемой электродинамической системе. При этом, хорошо изученные функции, с помощью которых описывается электромагнитное поле, например, в волноводных без потерь, становятся непременными, т.к. не удовлетворяют принятым ранее граничным условиям и теряют свойство ортогональности. Строгое решение реальной электромагнитной системы с потерями весьма затруднительно и обычно при расчете волноводов с малыми потерями прибегают к различным упрощениям.

Для расчета постоянной затухания необходимо знать значения Еl и tgо . Величины этих параметров, приводимые для различных материалов, даны как правило в зависимости от температуры, а при расчете СВЧ установки необходимо учитывать их зависимость и от влажности.

Теоретический расчет таких зависимостей представляет собой самостоятельную, достаточно сложную задачу, поэтому при разработке СВЧ установок обычно необходимые сведения о зависимостях El и tgо от различных параметров, характеризующих технологический процесс, определяются экспериментально, однако, данные о El и tgо различных тонких диэлектриков, как правило, в литературе не полные.

1.3 Выбор оптимальной линии передачи для конструирования СВЧ установок термообработки диэлектриков

Критерии оптимальности. При заданной мощности СВЧ генератора и скорости транспортировки обрабатываемого диэлектрика будем называть оптимальной конструкцию СВЧ установки, имеющую наименьшую длину в направлении движения диэлектрика, на которой обеспечивается заданный технологический режим. Очевидно, что длина сушилки будет тем меньше, чем больше постоянная затухания в рассматриваемой линии передачи при заданной влажности диэлектрика. Таким образом, критериями оптимальности линии передачи являются: во-первых: величина постоянной затухания, во-вторых, геометрия поперечного сечения, которая должна обеспечить удобство расположения и транспортировки обрабатываемого диэлектрика для обеспечения требуемого технологического режима.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в технике СВЧ коаксиальную, полосковую линии и коаксиальный волновод при различных положениях в них обрабатываемого диэлектрика (рис. 7).

Для удовлетворения второму пункту, определяющему оптимальность выбранной линии передачи, как правило требуется, чтобы геометрия поперечных сечений линии передачи и обрабатываемого диэлектрика были идентичны. Например, очевидно, что для термообработки диэлектрических тонкостенных цилиндров удобно использовать коаксиальную линию передачи, а для диэлектриков прямоугольного сечения -полосковую линию и прямоугольный волновод. Поскольку в работе рассматриваются вопросы оптимизации устройств СВЧ термообработки только тонких плоских диэлектрических материалов, то рассматривать коаксиальные линии с диэлектриком не имеет смысла.

Рассмотрим вопрос оптимальности волновода с точки зрения величины постоянной затухания. Для этого необходимо иметь метод расчета , позволяющий исследовать ее величину в зависимости от длины волны, параметров диэлектрика и его положения в линии передачи.

Линия передачи с различным расположением поглощающего диэлектрика в них: а,б -волновод; в -полосковая линия; г -коаксиальная линия.

а₁ d

y I II III b

x d

a

z

a) б)

l

d

2r₃ 2r₁ 2r₂

в) г)

Рис. 7

1.3.1 Расчет постоянной затухания в прямоугольном волноводе, частично заполненном поглощающим диэлектриком

Тонкий плоский диэлектрик в прямоугольном волноводе может быть расположен параллельно узкой (см. рис. 7а) или на широкой стенке (см. рис. 7б) волновода.

В первом случае желательно, чтобы диэлектрик с заданной толщиной и электрофизическими параметрами мало возмущал поле в волноводе, т.е. чтобы в нем распространялась волна квази H10, поскольку только в этом случае удается наиболее просто решить задачу согласования волновода с диэлектриком с линией передачи, соединяющей его с генератором. Согласно работы [3] волна квази H10 сохраняется для El<=80 при d/a<=0,1.

Во втором случае наиболее просто волна квази H10 сохраняется для диэлектрика с |El|>>1 и d<<b, причем, чем лучше выполняется второе условие, тем менее строго может выполняться первое [17].

Для вывода соотношений для инженерного расчета затухания в волноводе с диэлектриком, параллельно узкой стенке волновода, обобщим метод эквивалентных схем, предложенный в работе [18].

Рассмотрим прямоугольный волновод, изображенный на рис. 7а при условии, что d/a<=0,1.

Разобьем волновод на три участка и обозначим Iпрод- продольный ток проводимости, протекающий через широкую стенку каждого участка, через U -полное напряжение вдоль центральной линии электрического поля. а через s(z) -запишем для каждого участка [19]

a1

IпродI=тszdx=2Aa2/plЦ1-(l/2d)2 (1-cos(pa1/a)

0

a1+d

IпродII=--тszdx=2Aa2ЦEl/lpЦ1-(l/2d)2(cos(pa1/a)- cos(p(a1+d)/d)

IпродIII=--тszdx=2Aa2/lpЦ1-(l/2d)2 (1+cos(p(a1+d)/a)

UI,II,III=120Ap(2ab/l) (6)

По аналогии с [18] для каждой области введем величину:

Z0I,II,III=|UI,II,III/IпродI,II,III|, (7)

принимая во внимание соотношения (6) , по соотношению (7) при f бесконечности, запишем

Z0I=(120bp2/a)(1/1-cos(a1p/a)),

Z0II=(120bp2/aЦE)(1/cos(pa1/a)-cosp(a1+d)/a)),

Z0III=(120bp2/a)(1/1+cos(p(a1+d)/a)).

В работе [18] эквивалентные параметры системы для волны типа Н10 имеют вид:

L=Z0/Uj--;------C=1/ Uj Z0; Ll= Uj Z0/w2кр, (8)

где L -продольно-распределенная индуктивность;

Ll -поперечно-распределенная индуктивность;

C -поперечно-распределенная емкость;

Uj -фазовая скорость волны в волноводе;

El, m-диэлектрическая и магнитная постоянные диэлектрика, заполняющего волновод;

wкр -критическая частота.

Тогда эквивалентные параметры для каждого участка с учетом соотношений (8) примут вид (9):

L1=(120bp2/ac)(1/1-cos(pa1/a)), (Uj=c)

Эквивалентная схема волновода, частично заполненного диэлектриком



L₁

L₂

L₃

C₁ C₂ C₃ L^l₁ L^l₁ L^l₃ G

Рис. 8.

L2=(120bp2/ac)(1/cos(pa1/a-cos(p(a1+d)/a)), (Uj=c/ЦEl)

L3=(120bp2/ac)( 1/cos(p(a1+d)/a)), (Uj=c)

C1=a/120bcp2(1-cos(pa1/a),

C2= aEl/120bcp2(cos(pa1/a-cos(p(a1+d)/a),

C3= a/120bcp2(1+ cos(p(a1+d)/a),

Ll1=120ab/c(1/1-cos(pa1/a)),

Ll2=120ab/c(1/ cos(pa1/a-cos(p(a1+d)/a)),

Ll3=120ab/c(1/1+ cos(p(a1+d)/a)).

Следовательно, эквивалентная схема волновода, представленного на рис. 7а, примет вид (см. рис. 8).

На рис. 8 G -поперечно--распределенная проводимость. обусловленная наличием потерь в диэлектрике.

Определение G проведем аналогично тому, как это делается при расчете затухания в диэлектрике, заполняющем всю линию. Заменим соотношения для С2 в (9) Еl на El(1-jtgs) и составим выражение jwC2. Тогда G=Re(jC2w).

G=aEltgsw/12_bcp2(cos(pa1/a-cos(p(a1+d)/a))



Постоянная распространения в рассматриваемой системе может быть представлена в виде

U2=wjLэ(G+jw(Cэ-1/w2Llэ)), (10)

где Lэ=60bp2/ac; Llэ=60ab/c; (11)

Cэ=1/60p2bc/a[1+(El-1)sin(p(a1+d)/2a)sin(dp/2a)]

Из теории длинных линий известно, что затухание линии, имеющей постоянную распространения U,--определенную соотношением (10), в первом приближении имеет вид:

a=G/2ЦLэ/Cэ(1-1/w2LlэCэ)

Учитывая соотношение (11) можно получить обобщенное выражение для постоянной затухания. Рассмотрим ряд частных случаев:

1. d=0, тогда a=_.

2.--tgs,--тогда a=_.

3. a1=0, d=a диэлектрик заполняет весь волновод,

a=pЦEltgs/lЦ1-(l/2aЦEl)2 , (12)

что совпадает с результатом работы [20].

4. d -мало, a1= a/2 -диэлектрик в середине широкой стенки.

Тогда

a=p2Eldtgs/--2alЦ1-(l/2a)2 (13)

5. d -мало, a1=0 -диэлектрик у узкой стенки



a=p3Eld2tgs/--4a2lЦ1-(l/2a)2 (14)

Из соотношения (10) в первом приближении [20]

b=wЦLэ(c-1/Lэw2)

b=(2p/l)Ц1-l2/4a2[1+(El-1)sin(p(a1+d/2a)sin(pd/2a)]

Откуда длина волны в волноводе:

lb=l/Ц1-l2/4a2[1+(El-1)sin(p(a1+d/2a)sin(pd/2a)]

При малом d и a1=a/2

lb=l/Ц1-(l/2a)2 (15)

Значит длина волны практически равна длине волны в волноводе с воздушным заполнением при волне H10, что соответствует сделанному предположению о малом возмущении волны диэлектриком.

Для случая, когда поглощающий диэлектрик расположен в волноводе на широкой стенке (см. рис. 7б), затухание может быть рассчитано при E>>1, tgs=s по соотношению [19]

a={l(2a/bl+lb/a)/4(b-d)aЦE}[ch(2dp/l)sЦE-s/2sin(4pd/lЦE)/ ch(2dp/l)sЦE+cos(4dp/lЦE)] (16)

В таблице 2 приведены значения постоянной затухания для линий передач с диэлектриком, представленных на рис. 7а,б и рассчитанных по соотношению (16) для l=12,6 см. и d=1мм, tgs=0,2.



Таблица 2.

Результаты расчета постоянной затухания в линии передачи с диэлектриком

Тип линии	Прямоугольный волновод
Рисунок	7а	7б
a--[h/m]	1,85	2,6*10-3

Результаты расчета показывают, что оптимальной линией передачи для конструирования СВЧ утановки для обработки диэлектриков является прямоугольный волновод с диэлектриком, помещенным параллельно узкой и на середине широкой стенки, т.е. в максимуме напряженности электрического поля волны типа Н10. Такой волновод к тому же очень прост по конструкции, значительно дешевле других линий передач и удобен в эксплуатации. Размер его поперечного сечения определяется частотой СВЧ генератора, причем l/2<a<l.

1.3.2 Приближенный расчет постоянной затухания в прямоугольном волноводе с влажным диэлектриком в представлении его слоистой системой

Для расчета постоянной затухания в волноводе с влажным диэлектриком необходимо знать диэлектрическую проницаемость El и тангенс угла диэлектрических потерь tgs. При этом для расчета установок СВЧ нагрева должна быть известна, как правило, зависимость El и tgs влажности обрабатываемого диэлектрика w.

Большинство диэлектриков, таких как бумага, текстиль, древесина и т.п. в сухом состоянии, когда влажность равна нулю, имеют достаточно малые величины El и tgs, следовательно и малые величины постоянной затухания. Во влажном состоянии потери СВЧ мощности в таких диэлектриках определяет, в основном, наличие воды. В связи с этим влажный тонкий диэлектрический материал можно представить как слоистый диэлектрик, состоящий из основы -сухой древесины и соя воды (см. рис 9). При этом толщина слоя воды будет определяться влажностью диэлектрика. зависимость El и tgs воды от температуры и частоты хорошо исследована и для частоты 3000 МГц приведена на рис. 10. [22]. Если известны влажность диэлектрика на выходе и входе сушилки, допустимая температура его нагрева и частота генератора, то по формуле (13) можно рассчитать зависимость постоянной затухания в волноводе от влажности диэлектрика при t=const.

Толщина слоя воды на основе равна:

d=w/rb (17)

Где r -удельная плотность воды.

Представление влажного диэлектрика (а) слоистым (б), состоящим из сухой основы 1 и слоя воды 2.

Зависимость El и tgs от температуры на частоте 3000 Мгц.

El tgs

Рис. 10.



Случай неполного заполнения волновода по b тонким, поглощающим диэлектриком

b

b₁

Рис. 11

Тогда, подставив в соотношение (13) выражение для d, получим:

a=p2wEl(t)tgs(t)/2abrlЦ1-(l/2a)2 (18)

Если El и tgs, а следовательно и a сухого диэлектрика пренебрегать нельзя, то по соотношению (13) необходимо определить постоянную затухания в волноводе с сухим диэлектриком и учитывая ее при расчете a=a(w) как постоянную добавку:

a=ac+p2wEl(t)tgs(t)/2abrlЦ1-(l/2a)2-- (19)

В случае неполного заполнения волновода по высоте (рис. 11) следует в соотношение (19) вводить коэффициент заполнения. Поскольку в любом продольном сечении волновода напряженность поля по Х постоянна, то величина этого коэффициента для диэлектрика прямоугольной формы равна bl/b [2]. Тогда (19) примет вид:

a=bl/b[p2wEl(t)tgs(t)/2abrlЦ1-(l/2a)2+--ac (20)

На рис. 12 приведена зависимость a=a(w), рассчитанная по соотношению (20) для El=El(w)--и tgs=tgs(w) определенных экспериментально, при t=200С [23] и зависимость a=a(w), определенная экспериментально при t=300C.

Сопоставление кривых (см. рис. 12) позволяет заключить, что в первом приближении влажные тонкие диэлектрики можно представить в виде слоистой системы и с достаточной для практики точностью рассчитать a=a(w) по соотношению (20).

Зависимость постоянной затухания в волноводе от влажности диэлектрика

a*10-2

w/[b/m]

I -рассчитана по (20) с учетом El=El(w)--и tgs=tgs(w), определенных экспериментально; II -определена экспериментально.

Рис. 12.

Схема СВЧ установки с непрерывным взаимодействием диэлектрика с бегущей волной (диэлектрик вводится со стороны генератора).

Модель изменения влагосодержания диэлектрика при его движении в камере нагрева



w_ot_o

w(m)t(m)

d_p

d_d d_m

L

v x

Рис. 13.

1.4 Расчет конвейерной СВЧ установки волноводного типа

В целом ряде технологических процессов, таких как сушка шпона, доски и др. максимально допустима температура меньше 1000С, скорость движения воздушного потока у поверхности диэлектрика ограничена и поэтому для таких, как их называют, мягких режимов, можно пренебречь величиной конвективной составляющей в теплообмене. Это позволяет значительно упростить расчет подобных СВЧ установок, проводить его без трудоемких и тонких предварительных экспериментов.

Рассмотрим конвейерную СВЧ камеру, пространство взаимодействия которой представляет собой сдвоенный волновод прямоугольного сечения.

Представим диэлектрик, состоящим из дух слоев -слоя основы и слоя воды. На рис 13. представлена модель, показывающая изменение влагосодержания диэлектрика при его движении в пространстве взаимодействия.

На основе балансного уравнения тепла представим мощность, требуемую для высушивания обрабатываемого диэлектрика Ртр. при скорости U до заданной влажности W соотношением:

Ртр=Ртр.н.+Ртр.и., (21)



где Ртр.н -мощность, требуемая для нагрева диэлектрика;

Ртр.и -мощность, требуемая для испарения жидкости.

Причем

Ртр.н=Рdm-dd+Pdd+Pdo-dm (22)

Ртр.и=(wo-wm)vrt.ср (23)

где,

Рdm-dd=c1wmv(tm-to) -мощность. необходимая для нагрева до температуры tm масса жидкости wmv, которая покидает устройство СВЧ установки в единицу времени и составляет остаточную влажность диэлектрика после сушки;

Pdd=c2wdv(tm-to) -мощность, необходимая для нагрева до температуры tm массы абсолютно сухого диэлектрика wdv, покидающего СВЧ установку в единицу времени;

Pdo-dm=c1(wo-wm)v(tcp-to) -мощность необходимая для нагрева до температуры tcp массы жидкости (wo-wm)v которая испаряется в единицу времени в пространстве взаимодействия длинной L. В данном случае расчет ведется до tcp, поскольку на длине пространства взаимодействия происходит изменение толщины слоя жидкости по закону близкому к линейному с do-dm до нуля, а его температура растет с to до tm . Это обстоятельство отражено в соотношении (23) в коэффициенте теплоты парообразования rtcp, который показывает, что процесс испарения рассчитывается при постоянной температуре равной tcp.

c1,c2 -теплоемкости жидкости и абсолютно сухого диэлектрика.

Подставляя в (21) соотношения (22) и (23) получим

Ртр=с1(wo-wm)v(tcp-to)+c1wmv(tm-to)+c2wdv(tm- to)+(wo-wm)vrtcp (24)



Возможно три ситуации:

1. Ртр=Рвх -объект высох, мощность поглотилась вся.

2. Ртр>Рвх -объект еще не высох, а мощность уже полностью поглотилась.

3. Ртр<Рвх -объект уже высох, а мощность поглотилась не вся.

Для первого случая характерно 100% использование мощности СВЧ. Во втором случае необходимо увеличить мощность генератора, либо, как видно из (24), уменьшить скорость транспортировки обрабатываемого диэлектрика, но так как скорость определяет производительность установки и обычно задана, то приходится так увеличивать Рвх, чтобы выполнялось условие Ртр<=Рвх.

В третьем случае непоглощенная мощность в устройстве СВЧ нагрева на выходе имеет величину:

Рвых=Рвх-Ртр (25)

КПД при этом можно повысить уменьшением входной мощности или увеличением скорости транспортировки обрабатываемого материала, но тогда увеличивается длина камеры сушки L, а следовательно, и габариты всей установки СВЧ нагрева. Итак, в третьем случае, варьируя двумя величинами из трех: v, Рвх, L можно добиться оптимального значения третьей величины.

Как показал эксперимент, предположение, что нарастание температуры в процессе транспортировки диэлектрика в камере сушки линейно, допустимо, но тем не менее заметна несколько большая скорость ее нарастания в начале процесса сушки. По этой причине расчет количества секций n СВЧ установки разобъется на два этапа, как показано на рис. 13.:

-расчет количества секций камеры р, на которых поглощает ся диэлектриком мощность Ртр. н., требуемая для нагрева диэлек трика.



1.4.1 Расчет первого этапа сушки

Определим количество секций, которые должен пройти обрабатываемый диэлектрик, чтобы нагреться до температуры tк. При этом диэлектриком должна быть поглощена мощность Ртр.н. По скольку по предположению на этом этапе в процессе нагрева жидкость из объекта не испаряется, а значения El--и tgs взяты для постоянной средней температуры диэлектрика при нагреве, то во всех этих секциях a=const.