Ключевые слова: моделирование, электродинамика, энергия, режим, камера, стенд, фидерная цепь, излучение, частота, мощность, энергия, нагрев, поле, узел, ослабление, устройство, размер, защита
Электродинамическое моделирование позволило изучить на моделях свойства отдельных волноводных элементов, основываясь на соотношениях подобия в электродинамике. Измерение характеристик согласования волноводных элементов фидерной цепи, узлов ввода энергии в СВЧ камеру, а также стенд контроля уровня паразитного излучения позволяют приступить к выбору режимов и схемы реализации микроволнового нагрева в СВЧ установке для сушки зерна.
При разработке установки важно полнее учесть физические законы нагрева материалов вообще, и особенности обрабатываемого материала, в нашем случае, зерна.
Из-за практической невозможности локализовать электромагнитное поле полностью в обрабатываемом материале, а также в связи с вредным воздействием интенсивного электромагнитного поля на организм человека, микроволновую обработку целесообразно производить в экранированных объемах — металлических СВЧ камерах [1,2].
В зависимости от размеров камеры, способа её подключения к источнику СВЧ энергии, электродинамических характеристик обрабатываемого материала в СВЧ камере могут устанавливаться следующие режимы обработки: режим бегущих волн для сильно поглощающих материалов; режим стоячих волн для слабо поглощающих материалов и режим смешанных волн в остальных случаях. Отметим, что сильное поглощение может быть создано и для слабо поглощающих материалов существенным увеличением рабочей зоны. Также как и слабое поглощение — для сильно поглощающих материалов существенным уменьшением размера рабочей зоны (или уменьшением количества обрабатываемого материала). Режим бегущих волн для слабо поглощающих материалов может быть создан искусственно, путем подключения оконечной согласованной нагрузки, практически полностью поглощающей всю СВЧ энергию, прошедшую через обрабатываемый материал. Режим бегущих волн характеризуется волнами, распространяющимися от области возбуждения с уменьшающейся амплитудой за счет поглощения энергии обрабатываемым материалом. В связи с этим нагрев материала будет неоднородным, в направлении распространения волн (максимальная температура будет в области возбуждения). Режим стоячих волн образуется волнами с одинаковыми амплитудами, распространяющимися в противоположных направлениях. Суммарное поле стоячих волн характеризуется чередованием максимальных значений (пучностей) и областей, где поле отсутствует (узлов). В соответствии с таким распределением поля нагрев материала будет неоднородным. В СВЧ камерах со стоячими волнами возможно возникновение резонансов, в том числе специально созданных. В этом случае амплитуда поля резко возрастает, за счет чего даже слабо поглощающие материалы поглощают практически всю подводимую к СВЧ камере энергию. Вместе с тем, большие перенапряжения, возникающие в этом случае, могут привести к электрическому пробою и необходимо принимать меры к электрическому упрочнению СВЧ камеры и фидерной цепи.
Режим смешанных волн характеризуется волнами, распространяющимися в противоположных направлениях, но с разными амплитудами. В режиме смешанных волн распределение поля напоминает стоячую волну с тем отличием, что вместо узлов (полное отсутствие поля) имеют место минимальные значения полей. СВЧ камеры разделяют на камеры волноводного типа, когда режим близок к режиму бегущей волны, и камеры резонансного типа, когда режим близок к режиму стоячей волны с большей амплитудой в пучности. Таким образом, если в СВЧ камере возбуждается поле со статическим распределением амплитуд, то равномерный нагрев неподвижного материала, полностью заполняющего объем СВЧ камеры, невозможен.
Для равномерного нагрева материала в рабочем объеме необходимо, либо изменять распределение поля во времени, либо осуществлять перемещение (перемешивание) материала. Конструкции камер, реализующих перемешивание поля, показали их невысокую эффективность, а присутствие устройств перемешивания приводит к значительным трудностям при согласовании фидерных цепей. Подобные устройства нашли применение в относительно маломощных экспериментальных установках и бытовых микроволновых печах.
Наибольший интерес для реализации непрерывных технологических процессов нагрева материалов в промышленности представляет СВЧ камера с относительно небольшими поперечными размерами и большими продольными. В этом случае продольную неравномерность нагрева материала можно устранить движением материала в этом направлении. Улучшение равномерности нагрева в поперечном сечении СВЧ камеры можно достичь использованием конструкции с несколькими источниками возбуждения, позволяющие добиваться относительно однородной центральной зоны с небольшими неоднородностями по краям. Такая схема, относительно равномерного нагрева материала, может быть реализована в СВЧ установке с транспортерной лентой, в которой СВЧ камера возбуждается несколькими центральными проводниками, расположенными внутри камеры над транспортером. Регулированием расположения проводников над материалом, легко добиться равномерного нагрева по ширине транспортера. Равномерность по высоте слоя материала достигается его относительно небольшой толщиной, а вдоль оси камеры — движением транспортера.
Практический интерес представляют также схемы, в которых равномерность нагрева достигается за счет интенсивного перемешивания дисперсного материала. Такие схемы можно реализовать, например, в установках с псевдоожиженным слоем материала и в наклонных вращающихся трубах.
Для обоснованности выбора той или иной установки рассмотрим схемы, наиболее интересные с позиций их практической реализации [3].
На рисунке 1 приведена схема СВЧ установки с транспортерной лентой. Отметим преимущества, которыми она обладает в отличие от других:
‒ наличие центральных проводников позволяет изменять связь поля с обрабатываемым материалом, путем изменения их высоты над транспортером, и добиться, для различных материалов, практически полного поглощения СВЧ энергии;
‒ наличие нескольких вводов позволяет обеспечить равномерный нагрев по ширине транспортера за счет подключения нескольких генераторов к одной камере, и, следовательно, создавать установки большой мощности.
Рис. 1. Схема СВЧ установки с транспортерной лентой
Практическая реализация такой установки возможна для низкотемпературных процессов.
Рис. 2. Схема СВЧ установки с аэрожелобом
На рисунке 2 представлена схема СВЧ установки с аэрожелобом. Её отличает простота в обеспечении равномерного нагрева материала за счет непрерывной подачи воздуха снизу и создания псевдоожиженного слоя, обеспечивающего интенсивное перемешивание частиц материала. В этой установке отсутствует движущиеся части, т. к. нет транспортерной системы. В псевдоожиженном состоянии, материал ведет себя подобно жидкости и при непрерывной загрузке материала происходит непрерывный «слив» обработанного материала через узел выгрузки. Основным недостатком такой установки является большой пылевынос, достигающий нескольких десятков процентов.
При проектировании установки необходимо выполнение целого ряда условий:
‒ возможность регулировки температуры обработанного материала;
‒ возможность регулировки времени нахождения обрабатываемого материала в микроволновом поле в течение 15÷30 мин;
‒ производительность по обработанному материалу при максимальной температуры — 100 ÷ 150 кг/час;
‒ эффективная система защиты от паразитного излучения.
Приведенные условия позволяют оценить необходимую СВЧ мощность и выбрать соответствующий генератор, а также налагают определенные требования к конструктивным решениям отдельных узлов установки [4].
Необходимая мощность определяется по максимальной производительности, вычислить которую можно, воспользовавшись уравнением теплового баланса- задавшись средней теплоемкостью зерна (750–1760 кдж/кг, К). Учитывая, что нагрев массы m осуществляется от начальной температуры t0 = 200С до максимальной t макс:
,
можно получить величину необходимой тепловой мощности, которая составляет 3 ÷ 4 кВт.
Считая, что в СВЧ установке можно реализовать полное
поглощение микроволновой энергии обрабатываемым материалом, приходим к выводу, что разрабатываемая установка должна содержать СВЧ генератор с выходной мощностью 3 ÷ 4 кВт для этой цели подойдет промышленный генератор СВЧ с выходной мощностью 2 ÷5 кВт, работающий на частоте 2,45 ГГц.
Литература:
- Морозов С. М., Реут В. А. «Электродинамическое моделирование СВЧ установок». Электронный журнал «Теория и практика современной науки» № 12(18) 2016
- Кузьмин К. А., Кучерова Е. Н. «Оценка инфокоммуникационных факторов в рамках концепции устойчивого развития предприятия». Журнал «Экономика и предпринимательство», 2016
- Кузьмин К. А. «Моделирование автоматизированной системы охлаждения испытательного стенда для агрегата управления АУ-38-Б» Электронный журнал «Теория и практика современной науки» № 12(18) 2016
- Григорьев А. Д. «Электродинамика и техника СВЧ» Москва «Высшая школа», 335 с, 1990.
