СВЧ облучение длинных слабопроводящих диэлектрических объектов малого сечения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.385.69

Омский Государственный технический университет, Омск, Россия

СВЧ облучение длинных слабопроводящих диэлектрических объектов малого сечения

В.П. Кисмерешкин, Н.А. Косточкина, А.В. Матвеев,

Аннотация

реактор энергия органический электромагнитный

В работе приводятся результаты исследований СВЧ реактора для концентрации энергии вдоль тонкого протяженного шнура. Цель работы - показать возможность облучения жидких органических продуктов без контакта с самим реактором при минимальном электромагнитном излучении. Ключевые проблемы: устройство возбуждения поверхностной волны, сопряженное с магнетронным генератором СВЧ; коллинеарная антенная решетка на основе совокупности соосных излучателей, возбуждаемых поверхностным волноводом; взаимосвязь между временем воздействия СВЧ и температурой нагрева относительно температуры окружающей среды.

Ключевые слова - коллинеарная решетка, поверхностный волновод, эллиптический цилиндр, тепловыделение, поток мощности.

Концентрация энергии СВЧ вдоль длинных объектов малого сечения требуется при решении таких задач, как обработка и обеззараживание стоков, пастеризация пищевых продуктов, обработка нефтепродуктов и т.п. В этой связи областью малого сечения достаточной длины может быть облучаемая СВЧ диэлектрическая труба, заполненная той или иной органической жидкостью. Для концентрации СВЧ энергии вдоль линии представляются возможными несколько способов, которые рассмотрим ниже.

Постановка задачи

Наиболее важной составной частью концентратора энергии является отражатель (рефлектор). В этой связи наиболее простой конструкцией отражателя могло бы быть плоское зеркало, однако дальнейшая фокусировка в линию представляет известные трудности. Другой вариант отражателя представляется в виде параболического цилиндра длиной не менее длины антенной решетки, которая устанавливается на его фокальной линии. Параболический отражатель преобразует всенаправленное излучение соосных с проводом вибраторов в поток параллельных лучей, излучаемых с раскрыва отражателя. Считая поток мощности равномерным в раскрыве (Dx L, где D - раскрыв параболы, L - длина решетки) |П|=Р₀/(DxL) и имея в виду, что в раскрыве , тепловыделение на этой площади будет или . Можно показать, что эффективность облучения может быть оценена соотношением

.

Таким образом, для преобразования подаваемой СВЧ мощности Р₀ в тепло необходимо выполнение условия , где е - абсолютная диэлектрическая постоянная, W - волновое сопротивление облучаемого объема, tgд - тангенс угла диэлектрических потерь, h - толщина слоя диэлектрика.

Более совершенный способ концентрации энергии может быть реализован, если параллельный пучок лучей параболического цилиндра направить на линзу Френеля в виде параллельных полос. В этом случае в ее фокусе происходит суммирование лучей, отраженных от параболического зеркала. Недостатками перечисленных способов являются потери энергии из-за рассеяния вследствие конечных размеров зеркал и различного рода неоднородностей.

Наиболее эффективным способом концентрации энергии вдоль линии представляется системой, состоящей из отражателя в виде эллиптического цилиндра, в котором вдоль одной из фокальных осей размещают нитевидный излучатель, а вдоль другой имеет место концентрация энергии. В данной системе излучение в принципе экранировано, в идеале потерь нет. Цилиндр может быть выполнен в виде однолинейной сетки. При этом размеры цилиндра выбирают: длину исходя из длины облучаемого объекта, поперечные размеры из расчета, что минимальное расстояние от фокальной линии до отражающей оболочки должно быть не менее одной длины волны. При этом плотность потока мощности в области второй фокальной оси зависит от площади его боковой поверхности и может быть вычислена |П|=Р₀/S_б, а напряженность поля в первом приближении будет , что позволяет далее перейти к определению тепловыделения.

Теория

Конструкция эллиптического цилиндра (Рис.1) представляла собой основание в виде рамы 1, по краям которой установлены две опорные параллельные плиты 2 на расстоянии 1700 мм друг от друга. Между этими плитами натягивалась однолинейная сетка 3 (заполнение эллиптической поверхности), а в точках фокусов эллипса прокладывались: по одной фокальной линии провод поверхностной волны 4 с переизлучателями 5, а по другой диэлектрическая труба 6 с малыми потерями. Генератор СВЧ 7 с устройством возбуждения размещались на одной из торцевых плит 2, а на другой плите размещался короткозамыкатель, обеспечивающий в линии поверхностной волны режим стоячей волны с максимумами напряженности электрического поля по центру соосных переизлучателей.

Рис. 1. Конструкция эллиптического цилиндра

Антенная решетка представляла собой совокупность коллинеарных вибраторов, эквидистантно размещенных на проводе волновода. Указанные вибраторы-переизлучатели, возбуждаемые продольной составляющей поверхностной волны, и будучи связанными электрически определенной с проводом связью, обеспечивали всенаправленное излучение в плоскости ортогональной проводу и более или менее равномерное распределение переизлучаемого поля по длине.

Вибратор-переизлучатель представлял собой трубчатую сетчатую конструкцию. Его длина и емкость относительно провода обеспечивали связь с проводом, что в свою очередь давало возможность корректировать распределение поля вдоль антенной решетки.

Возбуждение волновода поверхностной волны осуществлялось также через продольную составляющую поля. Как известно, поле поверхностной волны около провода имеет вид:

, , ,

где E_r, E_z, H_ц - радиальная, продольная и азимутальная составляющие поля поверхностной волны около провода типа Е₀₀;

h - поперечное волновое число;

г - постоянная распространения вдоль координаты z;

, - цилиндрические функции Ганкеля;

x₀ - граничный радиус.

Возбуждение осуществлялось через составляющую поля E_z путем установки около провода параллельного несимметричного вибратора 4, питаемого со стороны отражателя и относительно него через соответствующее звено трансформатора 3 (Рис.2).

Энергия для возбуждения подавалась от магнетрона типа М172 с рабочей частотой 2450 МГц и выходной мощностью порядка (1 - 1,5) кВт. Для сопряжения магнетрона с целью возбуждения изготавливались его имитаторы, что давало возможность осуществлять согласование при малых уровнях мощности. При такого рода возбуждении поверхностного волновода возникает ряд нюансов, которые необходимо рассмотреть подробнее. Один из них связан с достаточно большой подводимой мощностью (порядка 1 кВт). Это определило выбор качественных диэлектриков и конструктивных решений, исключающих пробой. Другой состоит в требовании достаточно высокого уровня согласования генератора СВЧ с проводом волновода, т.к. этот фактор определяет КПД системы в целом. И третий аспект состоит в оптимальном возбуждении поверхностной волны в проводе с диэлектрическим покрытием. Исходя из этих особенностей, в качестве провода волновода была взята латунная труба Ш 7 мм, покрытая слоем фторопласта толщиной 1,2 мм. Как показали расчеты, граничный радиус x₀ при этом не превысил 65 мм, что позволило сопречь волновод (не разрушить поверхностную волну) с размерами полости эллиптического цилиндра. Что касается согласования волноводно-вибраторной решетки с генератором, то, прежде всего, необходим был его выбор. В качестве генератора был выбран магнетрон типа М 172 с соответствующей периферией. Указанный магнетрон в сочетании с плоским устройством возбуждения позволил через трансформирующие звенья обеспечить согласование с уровнем КСВ ?1,2.

Схема возбуждения поверхностного волновода представлена на рис.2.

Рис. 2. Схема возбуждения поверхностного волновода

Как видно из рисунка, провод 1 волновода, независимо от конструкции полости эллиптического цилиндра натянут механически в точках А и В, при этом он гальванически развязан от отражателя 2, что позволяет его перемещать вдоль оси z, обеспечивая требуемое возбуждение соосных с проводом вибраторов антенной решетки. Для согласования 50-ти Омного тракта генератора с проводом поверхностного волновода применен трансформатор 3, согласующий выход генератора с устройством связи с проводом 4, которое обеспечивает одновременно наличие продольной составляющей напряженности электрического поля, обязательной составляющей поверхностной волны Е₀₀.

Вибраторы антенной решетки установлены эквидистантно на расстоянии длины волны в волноводе поверхностной волны. Указанный режим реализуется путем создания вдоль волновода режима стоячей волны (короткого замыкания), выбором расстояния от оконечного отражателя до последнего вибратора, обеспечивающего максимальное возбуждение вибраторов. Выбор этого расстояния осуществляется перемещением отражателя вдоль провода волновода. Выбор длины участка, где провод волновода проходит сквозь отражатель, обусловлен тем, что в точке выхода с отражателя провод должен быть электрически замкнут на него. Это обеспечивается длиной канала выхода провода с отражателя, равной четверть длины волны генератора с учетом укорочения длины волны диэлектриком, установленным в названных каналах. Образованное таким образом питание антенной решетки и ее установка на фокальной оси эллиптического цилиндра с соответствующими геометрическими параметрами, обеспечивает относительно равномерное облучение внутренней поверхности цилиндра и фокусировку отраженных от нее лучей на другой фокальной оси.

Поместив на этой оси диэлектрическую трубу с протекающим тем или иным жидким слабопроводящим агентом, мы получаем возможность воздействия на него концентрированной энергии с плотностью потока мощности в идеале |П|=Р₀/S_б (без учета потерь), где Р₀ - подведенная к коллинеарной решетке мощность S_б - площадь поверхности воображаемого цилиндра. В объеме данного цилиндра в результате воздействия потока мощности П напряженность электрического поля , где Z - волновое сопротивление облучаемого цилиндра, Ом.

Следуя далее, напряженность электрического поля приводит к выделению мощности в диэлектрике

Полагая распределение поля по объему трубы с диэлектриком равномерным, выражение для выделяемой мощности можно упростить

Мощность в трубе выделится в виде тепла, и тепловыделение может быть определено как Q=cm(T₁-T₀). Зная выделяемую мощность и параметры нагрева, можно вычислить время нагрева. В конечном итоге, имеет место уравнение

откуда определяются соотношение между T₁ (температурой нагрева) и t (временем нагрева). Что касается параметров трубы, диэлектрического заполнения и их электрофизических свойств, то они либо измеряются, либо берутся справочными. Таким образом, упрощенный алгоритм вычисления времени нагрева для доведения состояния трубы до температуры T₁ выглядит следующим образом

,

Здесь |П|= з ?Р₀/S, Q=cm(T₁-T₀), t=Q/Р_Д,

,

Где з - КПД,

Z - волновое сопротивление трубки, Ом,

щ - циклическая частота,

Q - тепловыделение (кал),

t - время (сек),

tgд - тангенс угла диэлектрических потерь,

V - объем, м³,

m - масса нагреваемого объекта, кг,

S_б - боковая площадь нагреваемого объекта, м²,

T_0,1- начальная и в нагретом состоянии температуры объекта.

Для экспериментального исследования был изготовлен эллиптический цилиндр с геометрическими размерами: а - 1000, б - 635, L - 1700 (Рис. 1).

Вдоль другой фокальной оси была проложена кварцевая трубка 3 диаметром 28 мм с толщиной стенки 2,2 мм. Труба заполнялась водой, с обеих сторон она заканчивалась изгибами, образующими вместе с трубой сообщающийся сосуд.

Результаты СВЧ воздействия на трубку с жидкостью

Воздействие на трубу с жидкостью осуществлялось путем ее облучения коллинеарной антенной решеткой, возбуждаемой магнетронным генератором. В качестве жидкого агента была выбрана обычная вода, заливаемая в диэлектрическую трубу. Тепловыделение происходило как в самой трубе, так и в жидкости. Нагрев трубы происходил пропорционально объему массы стекла, тангенсу угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости. Аналогично нагревалась жидкость, с известной долей погрешности измерялась температура лишь воды, считая, что температурное поле достаточно быстро усреднялось по сечению «труба - вода». Не учитывались в эксперименте тепловое излучение с трубы, нагрев поверхности цилиндра и его торцевых стенок. Целью работы было показать качественно возможность СВЧ нагрева жидкости, протекающей вдоль фокальной оси по диэлектрической трубе.

Проведению эксперимента предшествовало:

- измерение начальной температуры жидкости и ее взвешивание;

- измерение массы кварцевой трубки;

- согласование СВЧ тракта;

- установка режима стоячей волны в поверхностном волноводе и требуемого распределения поля вдоль решетки.

Результаты измерений сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Температура нагрева воды в зависимости от времени экспозиции

Обсуждение результатов

В ходе проведения экспериментальных работ была качественно подтверждена возможность фокусировки ЭМИ близкой к линии. Показан приближенный алгоритм получения соотношения между температурой нагрева и временем экспозиции, связывающий основные энергетические параметры и электрофизические среды. Намечены пути совершенствования расчета за счет: учета свойств диэлектрической трубы и устранения ее теплового излучения; улучшения отражающих свойств поверхности цилиндра, в том числе торцевых поверхностей; повышение уровня согласования магнетронных генераторов с устройством возбуждения; повышения качества короткозамыкателя и т.п.

Потенциальные возможности системы далеко не исследованы и потому планируются работы, которые рассчитаны на конкретные приложения в различных отраслях деятельности - медицины, нефтяной и сельскохозяйственной отраслей.

Выводы и заключение

1. Таким образом, была показана возможность СВЧ нагрева протяженных линейных участков диэлектрических труб, которые заполнены слабопроводящей жидкостью.

2. Предлагаемая система исключает какую-либо возможность механического и гальванического контакта с облучаемой жидкостью.

3. Система облучения в принципе полностью экранирована от действия ЭМИ.

4. Установка позволяет нагревать большие объемы жидкостей путем включения ее в оборотную систему с соответствующими емкостями.

5. Длина облучаемого объекта практически неограниченна. Ограничение связано в основном с реализацией равномерного распределения поля вдоль коллинеарной решетки.

Таким образом, предлагаемая система может быть положена в основу проектирования целого ряда промышленных СВЧ-установок как дозированного облучения, так и нагрева.

Список литературы

1. Пат. № 2488202, МПК: H 01 Q 21/00. Вибраторная решетка / В. П. Кисмерешкин, Г. Н. Лобова. - № 2011140546/08 ; заявл. 05.10.2011 ; опубл. 20.07.2013.

2. Пат. № 2118874, МПК: H 01 Q 21/00 A. Вибраторная решетка / В. П. Кисмерешкин, Г. Н. Лобова. - № 94020606/09 ; заявл. 02.06. 94 ; опубл. 10.09.1998.

3. А.Н. Диденко, Б.В. Зверев СВЧ-энергетика //Москва “Наука” 2000. - 264 с.

Размещено на Allbest.ru