Особенности гибридных СВЧ электротехнологических установок

Материалы и методы исследования. В данной работе предложена конструкция СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа, в которой одновременно реализуются тепловая СВЧ модификация диэлектрического материала, например, сосновые доски, сено, овощи и нетепловая СВЧ модификация полимерного материала, например, поликапроамидные нити, полимерные масла, зерно в потоке.

На рисунке 1 приведен алгоритм проектирования СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа.

При выборе исходного варианта СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа следует выбирать наиболее простой вариант компоновки установки. На данном этапе приходиться решать задачу определения параметров модифицируемых обетов. Это весьма трудоемкий и ответственный этап проектирования. Определение приближенных значений таких параметров как относительная диэлектрическая проницаемость ε ^' и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ обрабатываемых материалов может привести к неприемлемым ошибкам в расчете геометрии рабочих камер и режимов их работы. Параметры нетепловой СВЧ модификации полимеров изучены значительно меньше, и поэтому при проектировании следует проявить особую осмотрительность. В первую очередь нужно знать значения оптимальных напряжённостей Е _ОПТ , частоты f _ОПТ и времени нетепловой модификации τ _О ПТ .

Необходимо знать число СВЧ генераторов М , их мощность Р и частоту f (длина волны λ ). В первом приближении можно записать

V = λ ³ ;                                            (1)

S = (3...6) λ ² ,                                                  (2)

где V и S - объём и площадь поверхности нагреваемого диэлектрика;

λ - длина волны генератора.

Если нетепловая СВЧ модификация выполняется при заданном значении напряженности E , то мощность СВЧ электротехнологической установки с камерой гибридного типа выбирается с учетом сечения волновода такой, чтобы в этом волноводе выполнялось условие

E = Е_ОПТ .                                                (3)

Длина однородного волновода рабочей камеры нетепловой СВЧ модификации выбирается по следующей формуле l = 1 ln EОПТ + ∆ЕОПТ ,                                        (4)

α ОПТ ОПТ где α- коэффициент затухания в волноводе, частично заполненном обрабатываемым полимером;

∆Е ОПТ - допустимое в нетепловой СВЧ модификации отклонение напряженности E от оптимального значения .

ОПТ ^.

Рисунок 1 Алгоритм проектирования СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа

Проектирование СВЧ электротехнологической установки с камерой гибридного типа

базируется на решении тепломассопереноса [2,8]

согласованной краевой задачи электродинамики и d D rotH = G +--; d t rotE = -^ B ;                                         (5) a t divB = 0; divD = 0,

— + V V9 = k .V²9 + k V 2 U + k 3V ² p + Р УД- ; 11            12             13

5 t                                        с д Р д

— + v V U = k, V29 + k V2U + k 3V2 p;

21           2223

о t

— + VVp = к .V29 + k 2V2 U + k 3 V2 p; 31           3233

d t

9 = t - t0 ,(7)

где h , e - напряженности магнитного и электрического поля электромагнитной волны; G - плотность тока проводимости (при нагреве диэлектрика g = 0 );

в , d - магнитная и электрическая индукции электромагнитного поля;

Т , т ₀ - текущая и начальная температуры обрабатываемого объекта;

U - удельное влагосодержание обрабатываемого объекта;

р - давление водяных паров в обрабатываемом объекте;

v - скорость транспортировки обрабатываемого объекта в рабочей камере; k 11 , k₁₂...k ₃₃ - коэффициенты тепломассопереноса;

Р УД - удельная мощность, поглощаемая обрабатываемым объектом;

_сд , р _д - удельная теплоемкость и плотность обрабатываемого объекта.

Результаты исследования и их анализ.

Структурная схема СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Структурная схема СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа

Конструкция СВЧ электротехнологической установки с камерой гибридного типа, приведенная на рисунке 2, выпускает два вида продукции, ее экономическая эффективность выше, чем у отдельно взятой установки нетепловой или тепловой СВЧ модификации, а ее коэффициент полезного действия, то есть энергетическая эффективность, равен максимально достижимой величине.

В установке можно проводить модификацию поликапроамидных нитей, от чего у нитей увеличивается прочность на разрыв, тепловую СВЧ модификацию жидкостей в потоке, от чего у нее уменьшается вязкость.

Поперечные сечения рабочих камер технологических блоков СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа приведены на рисунке 3.

б

а

Рисунок 3 Поперечные сечения рабочих камер технологических блоков СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа: а – прямоугольный волновод со слоем обрабатываемых нитей;

б – камера с бегущей волной на круглом нерегулярном волноводе, частично заполненном обрабатываемым объектом

Нетепловая СВЧ модификация длиться считанные секунды, а потому рабочая камера нетепловой СВЧ модификации должна работать в методическом режиме, тепловая СВЧ модификация проводится в том же режиме. Периодический режим работы потребует выключение источника СВЧ энергии, при остановке нетепловой СВЧ модификации полимера, а это приведет к появлению начального и конечного брака продукции.

Заключение.

Предложена конструкция нового типа СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа, позволяющая проводить одновременно нетепловую СВЧ модификацию полимерного материала и тепловую СВЧ модификацию диэлектрического материала.

СВЧ электротехнологическую установку с рабочей камерой гибридного типа предлагается использовать вместо отдельных СВЧ электромагнитных установок, реализующих только нетепловую СВЧ модификацию полимерного материала или тепловую СВЧ модификацию диэлектрического материала.

Предлагаемая СВЧ электротехнологическая установка с рабочей камерой гибридного типа имеет ряд существенных преимуществ. Для реализации нетепловой и тепловой СВЧ модификаций в ней используется всего лишь один СВЧ генератор, то есть она потребляет меньше электроэнергии чем две отдельные СВЧ электротехнологические установки нетепловой и тепловой СВЧ модификаций. Следовательно, СВЧ электротехнологическая установка с рабочей камерой гибридного типа дешевле двух отдельных СВЧ установок, производящих туже продукцию, дешевле обходится ее эксплуатация и она занимает меньшую площадь.

Оставшаяся после нетепловой модификации СВЧ мощность в СВЧ электротехнологической установки с рабочей камерой гибридного типа, поступает в рабочую камеру тепловой СВЧ модификации, где расходуется на термообработку диэлектрического материала, так что КПД всей установки по использованию СВЧ энергии оказывается высоким и определяется главным образом типом рабочей камеры тепловой СВЧ модификации. Если это камера с бегущей волной, то этот КПД достигает порядка 98%. В предлагаемой СВЧ электротехнологической установке с рабочей камерой гибридного типа в результате использования нетепловой модификации в 10…50 раз ускоряется отверждение эпоксидных компаундов, в 1,5 раза увеличивается прочность на разрыв поликапроамидных нитей. В технологическом блоке тепловой СВЧ модификации могут быть использованы камеры с бегущей волной, камеры лучевого типа, камеры меандрового типа, то есть любая из известных сегодня рабочих камер, что дает возможность проводить нетепловую СВЧ модификацию объектов разных габаритов и с разными параметрами.